Maschinentechnik in der Abwasserreinigung: Verfahren und Ausrustung

Dieter-Heinz Hellmann, Ciinther Riegler

Maschinentechnik in der Abwasserreinigung Verfahren und Ausrustung

BWILEY-VCH

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Dieter-Heinz Hellmann, Cunther Riegler

Maschinentechnik in der Abwasserreinigung

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Dieter-Heinz Hellmann, Ciinther Riegler

Maschinentechnik in der Abwasserreinigung Verfahren und Ausrustung

BWILEY-VCH

Die Herausgeber dieses Bandes

Pmf Dr.-lng. Dieter-Heinz Hellmann

Universitat Kaiserslautem FB Maschinenbau und Verfahrenstechnik Gottlieb-Daimler-Str.Geb. 44,Zi. 510 D-67633 Kaiserslautem Prof Dr.-lng. Giinther Riegler

Fachhochschule Mainz Fachrichtung Bauingenieurwesen Holzstr. 36 D-55116 Mainz

1

Das vorliegende Werk wurde sorgfdtig erarbeitet. Dennoch ubernehmen Herausgeber, Autoren und Verlag fur die Richtigkeit von Angaben und Ratschlagen sowie fur eventuelle Druckfehler keine Haftung. Bibliografische information Der Deutschen Bibliothek

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Satz

ISBN 3-527-30606-4

I"

Inhaltsverzeichnis Vorwort

1 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 1.3.1 1.3.1.1 1.3.1.2 1.3.1.3 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.3.2.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.2.1 1.4.2.2 1.4.3 1.4.3.1 1.4.3.2 1.4.3.3 1.4.4 1.5

xrrr

Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klilrschlarnrnbehandlung

Einfiihrung 1 Abwasserhebung im Zulaufpumpwerk 2 Allgemeines 2 fieiselpumpen 4 Abwasserforderschnecken 4 Abwasserreinigung 5 Mechanische Abwasserreinigung 5 Rechenanlagen 5 Sand- und Fettfang 6 Vorkliirung 7 Biologische und weitergehende Abwasserbehandlung 7 Belebungsverfahren 8 Weitergehende Reinigungsmagnahmen 12 Ablauflcontrolle 13 Schlammbehandlung 13 Schlammeindickung vor der Stabilisierung (Voreindickung) 15 Schlammstabilisierung 16 Schlammfaulung 16 Aerobe Stabilisation 17 Entwasserung 18 ,,Nacheindickung" undloder Schlammvorlage 18 Schlammstapelbehalter 19 Entwasserungsverfahren 19 Schlammtrocknung 20 Schlammabtransport 21

1

2 2.1 2.2 2.3

2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.5.7 2.5.8 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.8 2.8.1 2.8.2 2.8.3 2.9

3

3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.3 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3

Rechenanlagen in kommunalen Kllrwerken Einleitung 23

23

Verfahrenstechnische Anordnung von Rechenanlagen 24 Verfahrenstechnische Anfordemngen und Bemessung von Rechenanlagen 24 Betriebliche Anforderungen 25 Bau- und Funktionsweise von Rechenanlagen 26 Allgemeine Grundsatze 26 Kletterrechen 27 Bogenrechen 29 Doppellenkerrechen 29 Stabrechen mit Handraurnung 30 Siebrechen 30 Filterstufenrechen 32 Spiralsiebrechen 33 Rechengutbehandlung 35 Rechengutpressen 35 Rechengutwascher 36 Rechengutwaschpressen 37 Rechengutforderung und -abfuhr 38 Allgemeines 38 Gurtforderer 38 Spiralforderer 39 Containeradagen 40 Hygienische und sicherheitstechnische Aspekte bei der Planung von Rechenanlagen 41 Hygienische Situation 41 Aspekte der Arbeitssicherheit 42 Explosionsschutz 42 Ausschreibung von Rechenanlagen 43

Pumpen in abwassertechnischen Verfihren und Anlagen 47 Einleitung 47 Abwassertechnische Anlagen (aus Pumpensicht) 49

Anlagenkennlinie 49 Einbauort der Pumpe 58 Kavitation 58 Ungeloste (freie) Gase 62 Arbeitspunkt 65 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Kreiselpumpen und Ruhnverken GG Kennlinien von Kreiselpumpen 66 Feststoffgehalt/Viskositat (s.a. Abschnitte 3.2.1 und 3.4.2) 78 Ungeloste (freie) Gase (s. a. Abschnitte 3.2.2.2 und 3.4.4) 81

3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.3.8 3.3.9 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8

Kavitation (s. a. Abschnitte 3.2.1 und 3.4.3) 83 Pumpenaufstellungen/Pumpenantriebe 87 Wellenabdichtungen (s. a. Abschnitt 3.4.5 und Kapitel 4) 88 Schwingungen (s. a. Abschnitt 3.4.6) 88 Regelung (s.a. Abschnitt 3.4.7) 90 Riihrwerke 97 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Verdrangerpumpen 102 Kennlinien von Verdrangerpumpen 102 Feststoffgehalt/Viskosimt (s.a. Abschnitte 3.2.1 und 3.3.2) 108 Kavitation (s.a. Abschnitte 3.2.2.1 und 3.3.4) 109 Ungeloste (freie) Gase (s.a. Abschnitte 3.2.2.2 und 3.3.3) 113 Wellenabdichtungen (s.a. Abschnitt 3.3.6 und Kapitel 4) 114 Schwingungen (s.a. Abschnitt 3.3.7) 114 Regelung (s. a. Abschnitt 3.3.8) 115 Schneckenpumpen 118

4

Wellenabdichtungen irn Bereich AbwasseP Einleitung 123

4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.2.1 4.4.2.2 4.4.2.3 4.4.2.4 4.4.2.5 4.4.3 5

5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 5.5 5.6

123

Wellendichtungen in der Abwassertechnik 124 Beriihrungsfreie Dichtsysteme im Bereich Abwasser 126 Beriihrende Dichtungen im Bereich Abwasser 127 Stopfbuchspackungen 127 Gleitringdichtungen 128 Grundlagen zur Funktionsweise 128 Werkstoffe von Gleitringdichtungen 131 Dichtungsraume 133 Bauarten von Dichtungen fur feststoffbeladene Medien 134 Fahrweisen von Gleitringdichtungen 137 Gasgeschmierte Gleitringdichtungen fur chemische Abwasser

140

Belufiungseinrichtungen 143 Einleitung 143

Feinblasige Druckluftbeliiftungssysteme 144 Material und Form 144 Feinblasige flachendeckende Druckluftbeliiftung 146 Feinblasige Beliiftungssysteme mit getrennter Umwalzung 146 Probleme mit feinblasigen Beliiftungselementen 148 Beliiftungssystem - Rohrleitungssystem - Drucklufterzeuger 149 Oberflachenbeliiftungssysteme 151 Rotoren in Umlaufbecken 151 Kreisel in Mischbecken 151 Kreisel in Umlaufbecken 152 a-Werte von Druckluft- und Oberflachenbeluftungssystemen 152 Modifizierte Richtwerttabelle 156 Bemessung von Beliiftungssystemen 158

Vlll

I

lnhaltsuerzeichnis

5.7 5.8

Tendenzen und Perspektiven bei der Beluftungstechnik 160 Zusammenfassung 162

6

Wirtschaftlicher Betrieb von Drehkolbengebliisen 165

6.1 6.2 6.3 6.4

Uberblick 165 Funktionsprinzip 165 Normen 171 Auslegung 172 Drehkolbengeblaseaggregate 175 Regelung 179 Gesamtstation 182 Fazit 183

6.5 6.6 6.7 6.8

7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.4 7.5

Wirtschaftlicher Betrieb von Turboverdichtern 185 Verdichter in Klaranlagen 185 Drehkolbenverdichter 186 Schraubenverdichter 186 Turboverdichter 187 Stromungstechnisches Verhalten 188 Regelanforderungen in Klaranlagen 189 Regelung von Turboverdichtern 189 Regelung mehrerer Verdichter 192 Wirtschaftlichkeitsvergleichverschiedener Verdichterbauarten 198 Zusammenfassung 199

8

Hinweise zur Betriebsoptimierung der Beluftung 201

8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.2.1 8.2.2.2 8.2.2.3 8.2.3 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.2.3 8.3.3 8.3.3.1 8.3.3.2

Einleitung 201 Optimierung des Beluftungssystems 202 Allgemeines 202 MaBnahmen zur Verbesserung des Energieverbrauchs 202 Energieanalysen mithilfe von Kennzahlen 202 Beispiel fiir die Anwendung stoffumsatzbezogener Kennzahlen 203 Kennzahlen auf der Basis von Sauerstoffeintragsmessungen 206 MaBnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs 206 Optimierung des Reinigungsprozesses mithilfe der Beluftung 207 Allgemeines 207 Regelung der Sauerstoffzufuhr 207 Festwertregelung 207 Sollwertfiiihrung nach Zeitplan 210 0,-Sollwertftihrung mit Storgroi3enaufschaltung 212 Regelungen auf Basis der Beluftung 213 NH4-N-und N03-N-Regelung 213 Regelung der Sauerstoffzufuhr in Abhangigkeit vom Redoxpotenzial 213

7

fnhaltsveneichnis

8.4

Steuerung / Regelung der Sauerstoffzufuhr mithilfe von Fuzzy-Algorithmen 215 Zusammenfassung 218

9

Dosieren in der komrnunalen Abwasserreinigung

10 10.1 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.3 10.3.1 10.3.1.1 10.3.1.2 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.4 10.4.1 10.4.1.1 10.4.2 10.4.2.1 10.4.2.2 10.5 10.5.1 10.5.2 10.5.3 10.5.4 10.5.5

Anforderungen an die Maschinentechnik 229

8.3.3.3

11

11.1 11.2 11.3 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.2.1 11.4.2.2 11.4.2.3 11.4.2.4 11.4.2.5 11.4.2.6

221

Allgemeine Arten der Beanspruchung 230 Besonderheiten der Fordermedien 23 I Fluide Fordermedien 23 1 Gasformige Fordermedien 232 Sonstige Fordermedien 232 Hinweise zum Rohrleitungsbau 233 Vergleich verschiedener Werkstoffe 233 Mechanische Kennwerte 233 Thermische Kennwerte 234 Einsatzbereiche 235 Hinweise zu Auslegung und Trassenf&-ung 236 Konstruktive Hinweise 238 Werkstofflcundliche Betrachtungen 238 Metallische Werkstoffe 239 Edelstahl und seine Eigenschafien 239 Kunststoffe 243 Thermoplaste 243 Duroplaste 243 SchweiBtechnische Betrachtungen 244 Allgemeines zu Rohrverbindungen 244 SchweiBtechniken 246 Qualit2tssicherung an SchweiBntihten 246 Nachbehandlung von Schweifnahten 247 Forderungen an die Ausfiihrung von SchweiBarbeiten 248 Die RPumer in der Abwasserreinigung Einleitung 251

Bauarten 251 Venvendungszweck 252 Konstruktive Merkmale 253 Raumerbsiicke 254 Untenvasseraussiistung 255 Sandschildraumer 255 Sandsaugraumer 256 kngsschildraumer 256 kngssaugraumer 256 Rundschildraumer 256 Rundsaugraumer 257

251

I

IX

X

I

lnhaltsverzeichnis

11.4.3 11.4.3.1 11.4.3.2 11.4.3.3 11.5

Schwimmschlammbeseitigungsausriistung 259 Sandschildraumer/Sandsaugraumer 259 L&gsschildraumer/Eingssaugraumer 259 Rundschildraumer/Rundsaugraumer 260 Zusammenfassung 26 1

12

Anforderungen an die technische/rnaschinelle Ausrustung von Schlarnrnbehandlungsanlagen 263

12.1 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 12.3

Einleitung 263 Allgemeine Anforderungen 265 Generelles 265 Emissions- und immissionsorientierte Anfordemngen 265 Betriebsorientierte Anforderungen 267 Kostenorientierte Anforderungen 268 Fallbeispiele zu Anforderungen und Losungen bei technischen Ausriistungen der Schlammbehandlung 270 Rohschlammbehandlung 270 Allgemeines 270 Primarschlammabzug und -eindickung 270 Abzug von Uberschussschlamm und maschinelle Uberschussschlammvoreindickung 272 Anforderungen an Pumpen, Armaturen und Rohrleitungen 273 Aerobe Schlammstabilisierung 275 Anaerobe Schlammstabilisierung (Faulung) 276 Allgemeines 276 Beschickung 277 Fadbehater-Heizung 277 Durchmischung (Umwdzung) des Faulbehalters 278 Sonstige Betriebssysteme bzw. Ausriistungen fur die Faulung 279 Faulgasbehandlung und Faulgasvenvertung 280 Nacheindickung 281 Schlammentwasserung 281 Zusammenfassung 284

12.3.1 12.3.1.1 12.3.1.2 12.3.1.3 12.3.1.4 12.3.2 12.3.3 12.3.3.1 12.3.3.2 12.3.3.3 12.3.3.4 12.3.3.5 12.3.4 12.3.5 12.3.6 12.4 13

13.1 13.2 13.2.1 13.2.1.1 13.2.1.2 13.2.1.3 13.2.1.4 13.2.1.5 13.2.2 13.2.2.1

Korrosion und VerschleiK 287 Begriffsbestimmung 287 Korrosion 287

Grundlagen der Korrosion von Metallen in wassrigen Losungen 287 Grenzflachenreaktionen 287 Spannungsreihe der Metalle 289 Elektrochemische Elemente 289 Saure- und Sauerstoffkorrosion 290 Passivitat 291 Erscheinungsformen der Korrosion 292 Korrosionsformen ohne mechanische Beanspruchung 292

In haltsverzeichnis

13.2.2.2 13.3 13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.3.3.1 13.3.3.2 13.3.3.3 13.3.4 13.3.5 13.4 13.4.1 13.4.2 13.4.2.1 13.4.2.2

Korrosionsformen mit mechanischer Beanspruchung 298 Maanahmen zum Korrosionsschutz 301 Mediumseitige Maanahmen 301 Konstruktive Maanahmen 302 Schutz durch Uberzuge 302 Organische Beschichtungen 302 Metallische Beschichtungen 302 Anorganische, nichtmetallische Beschichtungen 303 Korrosionsbesandige Werkstoffe 303 bthodischer Schutz 304 Verschleig 305 GleitverschleiB 305 Hydroabrasiver Verschleia 306 Abhangigkeit von den einwirkenden Grogen 306 Abhangigkeit vom Werkstoff 308

14 14.1 14.1.1 14.1.1.1 14.1.1.2 14.1.1.3 14.2 14.3

Explosionsschutz in abwassertechnischen Anlagen Explosion 309 Explosionsfahige Atmosphare 3 10 Vorliegen einer gefahrdrohenden Menge 310 Vermeiden von Ziindquellen 3 1 1 Zundtemperatur 313 Ziindschutzmagnahmen 314

14.4 14.4.1 14.4.2 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9 15 15.1 15.2 15.2.1

15.2.2 15.2.3 15.3 15.4 15.4.1 15.4.2 15.4.2.1

309

Pflicht zur Beurteilung von Explosionsgefahren und zur Anwendung von Explosionsschutz-Maanahmen 314 Neue Verordnung zum Explosionsschutz 3 1 G Nationale Umsetzung der Richtlinie in Deutschland 318 Zertifizierung und Kennzeichnung 319 Begriffsbestimmungen 319 Kriterien fur die Auswahl und den Einsatz von Betriebsmitteln 320 Beurteilung der Explosionsgefahrenin abwassertechnischenAnlagen 320 Organisation des betrieblichen Arbeitsschutzes 321 Beispiel fur den Aufbau eines Explosionsschutzdokuments 322 Mess- und Regelungstechnik der Cesarntanlage 325 Einleitung 325 Kanalisation und Regenwasserbehandlung 325 Pumpwerke 326 Regenentlastungsbauwerke 327 Datenauslesen und Datenfemubertragung 329

Klaranlagenzulauf und mechanische Vorreinigung Biologische Abwasserbehandlung 333 Vorklarbecken 333 Biologische Abwasserreinigung 334 Biologische Stickstoffelimination 334

330

I

XI1

I

Inhaltsuerzeichnis

15.4.2.2 15.4.3 15.4.4 15.4.4.1 15.4.4.2 15.4.4.3 15.4.4.4 15.4.4.5 15.4.4.6 15.5 15.5.1 15.5.2 15.5.3 15.5.4 15.5.4.1 15.5.4.2 15.6

Phosphorelimination 335 Verfahren 336 MSR-Strategie 337 Nitrifikation 337 Denitrifikation 337 Phosphor-Elimination 338 Intermittierende sowie alternierende NitrifikationlDenitrifikation 338 Steuerung der Rucklaufschlammmenge 339 Uberschussschlammabzug 339 Schlammbehandlung 341 Eindicker, Stapelbehalter 341 Fadturm 342 Gasbehalter 342 Schlammentwasserung 343 Prozessoptimierung bei der Schlammentwasserung und deren Einsparpotentiale 343 Messmethoden zur Bestimmung des TS-Gehaltes von Schlammen 3 4 Chemikalienstation 345

16

Regelantriebe 347

16.1 16.2 16.2.1 16.2.2 16.2.2.1

Einleitung 347 Ubersicht der Varianten an Regelantrieben 348 Mechanische Regelantriebe 349 Elektrische-/elektronischeRegelantriebe 350 Schleifringlaufermotoren mit untersynchroner Stromrichterkaskade (USK) oder Widerstandsschaltung 350 Gleichstrommotoren mit Stromrichter 350 Drehstrom-Asynchronmotorenmit Frequenzumrichter 351 Servomotoren rnit Frequenzumrichter 352 Drehstrom-Asynchronmotoren 352 Geregelter Drehstrom-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter 356 Ausblick 360 Projektierung/Anwendungsbeispiel 361

16.2.2.2 16.2.2.3 16.2.2.4 16.3 16.4 16.5 16.6

Index

365

VOMlOrt

Mit dem Buch Maschinentahnik in abwassertechnischm Vefahren und Anlagen werden sowohl Planern, Genehmigungsbehorden und Betreibern von Klaranlagen als auch Herstellern von Komponenten fi.ir Khanlagen grundlegende Hinweise zum Versundnis der Einflusse auf die Verfiigbarkeit (Betriebssicherheit)und die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems von Abwasserreinigung und Schlammbehandlung gegeben. Kapital- und Betriebskosten (Energie-und Instandhaltungskosten) der technischen Ausriistung von Klaranlagen entstehen in erster Linie aus der Notwendigkeitund dem Zusammenwirken seiner maschinen- und verfahrenstechnischen Komponenten und den Kosten fur deren Verfugbarkeit. Das gro%eZiel der Senkung von Kapital- und Betriebskosten bei gleicher oder hoherer Verfiigbarkeit einer Klaranlage kann nur unter Beriicksichtigung aller Komponenten erfolgen, indem die unterschiedlichen technischen Liisungen der Aufgaben unter Beachtung der Kosten und Betriebssicherheit diskutiert werden. Dam gehort selbstversthdlich auch die Gesamtoptimierung der bautechnischen und ausriistungstechnischen Bestandteile in ihrem Zusammenspiel uber dem Nutzungszeitraum der Anlage hinsichtlich der gewiinschten Reinigungsleistung sowie der resultierenden Kosten. Ausgehend von einer Darstellung der Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klarschlammbehandlung, in der ein Uberblick uber die Behandlungsziele und die in kommunalen Klaranlagen ublichenveise angewandten verfahrenstechnischen Vorgange gegeben wird, stellen weitere 16 Autoren in Einzelbeitragen die Maschinentechnik dieser Verfahren und Anlagen dar, wobei die Aneinanderreihung dem verfahrenstechnischen Prozess durch die Klaranlage folgt. Die Herausgeber

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I’

1

Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und KlPrschlammbehandlung Ciinther Riegler und Kainan Seiler

1.1 Einfiihrung

Anlagen zur Abwasserreinigung und Klarschlammbehandlungwerden auch Klaranlagen oder Klarwerke genannt. Sie sind das letzte Glied der kommunalen Entwasserungsanlagen und stellen sicher, dass das gereinigte Abwasser mit der gewiinschten Quditat in die Gewasser eingeleitetwird. Die einzuhaltenden Qualiatsanforderungen resultieren aus der Umweltgesetzgebung bzw. aus besonderen ortlichen Anforderungen [3, 41. In den Klaranlagen unterscheidet man in der Regel die Anlagenteile zur Abwasserreinigung von denen der Klarschlammbehandlung. Die Abwasserreinigung ubernimmt dabei die Aufgabe, das zuflieBende Abwasser gemag den gesetzlichen Vorgaben zu reinigen. Die Klarschlammbehandlungwird mit dem Ziel betrieben, den anfallenden Schlamm qualitativ so zu verandern und mengenmagig so zu reduzieren, dass er schadlos und zu vertretbaren Kosten entsorgt werden kann. In beiden Bereichen werden die ablaufenden Vorgange in den letzten Jahren durch einen versarkten Einsatz maschineller Technik, unterstiitzt durch immer besser am Bedarf orientierte Steuerungen, optimiert. In dieser Einfiihrung wird ein einfacher aberbhck iiber die Behandlungszieleund die in kommunalen Klaranlagen ublicherweise angewendeten verfahrenstechnischen Vorgange prasentiert (Abb. 1.1). Auf naturnah gestaltete Abwasserreinigungsverfahren,deren Einsatz wegen ihres groBen spezifischen Flichenbedarfs meist auf kleinere AnschlussgroBen beschrankt ist, wird hier nicht eingegangen.

2

I

I Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Kliinchlammbehandlung

Zulauf pumpwerk

Rechen

Langsandfang

Vorklilrung

Belebungsbecken

Nachklarung

ggf weitere Behandlung

;1F c 0

d

Abb. 1.1

Funktionsprinzip einer kommunalen Klaranlage

1.2

Abwasserhebung im Zulaufpumpwerk 1.2.1

Allgerneines

Die Abwasser aus Siedlungsgebietengelangen iiber Misch- oder Trennkanalisationen zu den Klaranlagen.Dabei werden bevorzugt Freigefallekanaleeingesetzt. Daher liegen die Kanale im Bereich des Klaranlagenstandortes i. d. R. einige Meter tief unter dem Niveau des Gelandes. Damit Klaranlagen kostengiinstig gebaut und betrieben werden konnen, wird das Abwasser im Allgemeinen auf eine Hohe iiber dem Niveau des Anlagengelandes angehoben. Nach der Zulaufhebung wird angestrebt, den Durchfluss durch alle nachfolgenden Bauwerke der Anlage im freien Gefalle zu realisieren. Die notwendige Forderhohe ergibt sich aus der Differenz zwischen der erforderlichen Hohenlage am Auslauf aus der Klaranlage plus dem erforderlichen Hohenverlust zum DurchflieBen der Anlage und der Tiefenlage des ankommenden Abwasserkanals. Geodatische Forderhohen von bis zu 7 m sind durchaus iiblich. Gelegentlich sind sie jedoch auch hoher. In seltenen Fallen kann auf Grund der bestehenden giinstigen Topographie auf Zulaufhebewerke verzichtet werden. Die Hebung des Rohabwassers wird durch Pumpwerke realisiert, in denen meist Kreisel- oder Schneckenpumpen eingesetzt werden. Oft fungieren die Pumpen des Zulaufhebewerkes nicht nur als Forderaggregat, sondern sie iibernehmen gleichzeitig die Funktion der Drosselung des Zuflusses zur Klaranlage bei groBeren Regenwetterzufliissen. Dies ist erforderlich, um die hydraulischen Durchsatze durch die Abwasserreinigungsanlage i. d. R. auf etwa das Doppelte des Spitzenzuflusses bei Trockenwetter zu begrenzen. Dariiber hinaus gehende Abwassermengen miissen in Regenwasserbehandlungsanlagen bewirtschaftet bzw. entlastet werden.

Wegen der durch den Lebensrhythmus im Einzugsgebiet gepragten Ganglinie des Abwasserzuflusses (Abb. 1.2) sowie der gelegentlichen Regenwasserzufliisse miissen Abwasserpumpwerke stark schwankende Fordermengen bewatigen. So kann es durchaus sein, dass nachts bei Trockenwetter nur wenige Prozente des Spitzenzuflusses bei Regenwetterereignissenanfallen und zu heben sind. Ein diskontinuierliches Fordern nach dem Ansammeln in einem Punpensumpf wird nur bei sehr kleinen Klaranlagen hingenommen, bei denen oft aus Griinden der Betriebssicherheitzu groUe Pumpen gew< werden miissen, urn Betriebsstorungen durch Verstopfung 0.a. zu vermeiden. Die in solchen Fdlen sehr geringen Abwasserzufliisse konnen demnach nicht kontinuierlich weggefordert werden. Bei grogeren Anlagen (iiber etwa 5000 Einwohnerwerte) ist eine kontinuierliche Beschickung der Anlage anzustreben. Bei der Auswahl und Planung von Zulaufhebewerkenist des Weiteren zu beachten, dass das Fordermedium aus Abwasser besteht, das sich durch die Anwesenheit grober, zu Verstopfungen neigender Verunreinigungen auszeichnet. Es handelt sich hierbei um Inhaltsstoffe wie Textilien, Hygieneartikel,Steine, Sande (je nach Art des Einzugsgebietes und der dortigen Bautiitigkeit) , absetzbare Inhaltsstoffe, die zur Sedimentation und Ablagerung neigen, sowie andere storende Gegensande (Bauholz, Werkzeug, Schrauben u. a.). Die Forderaggregate miissen daher neben einer extrem weiten AnpassungsGhigkeit an die durchzusetzenden Volumenstrome eine ausreichende Robustheit aufweisen, damit sie trotz der oben angegebenen Inhaltsstoffe einen betreuungsarmen Betrieb ermoglichen. Abwasserpumpwerke sind so zu bemessen, dass bei Beriicksichtigung ausreichender Forderreserve die gleiche Sicherheit erreicht wird, wie bei einer Ableitung im freien Gefalle. Dies kann an elektrisch unsicher versorgten Standorten auch bedeuten, dass ein Antrieb iiber Verbrennungsmotoren vorgesehen wird.

.........................

01.01.2000

01.03.2000

30.04.2000

29.06.2000

28.08.2000

Datum Abb. 1.2

Abwasserzufluss zu einer komrnunalen Klaranlage (ca. 40000 EW)

27.10.2000

26.12.2000

4

l

7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und KIarschlammbehandlung

Obwohl die aufzubringenden Energiekosten fur die Abwasserforderungan den Gesamtenergiekosten der Klaranlagen einen nur marginalen Anteil einnehmen, ist aus Griinden der Nachhaltigkeit bei der Pumpenauswahl ein moglichst guter Wirkungsgrad anzustreben. Wegen der Forderung nach einer Eignung fur Abwasser sind bei Rohabwasserpumpwerken allerdings oft Kompromisse einzugehen. Generell wird bei Pumpwerken ein automatischer, storungsarmer und gefahrloser Betrieb mit minimalem Aufwand an Wartungsarbeiten gefordert. Zur Standardausriistungvon Pumpwerken gehoren Pegelmesseinrichtungen auf der Zulaufseite fur die Steuerung des Forderaggregates.

1.2.2

Kreiselpumpen

Als kostengiinstige Variante werden in Zulaufhebewerkenoft nicht selbstansaugende Kreiselpumpen eingesetzt. Diese konnen unter der Hinnahme unhygienischer, Eke1 erregender und zum Teil gefahrlicher Wartungsarbeiten mit geringen Investitionskosten als vertikal montierte Tauchmotorpumpen in Nassaufstellung (explosionsgeschutzt)realisiert werden. Bei Wertschatzung komfortablerer Arbeitsbedingungen fur das Personal werden die Pumpwerke jedoch so ausgefiihrt, dass die Pumpen trocken in einem vom Pumpensumpf getrennten Betriebsraum stehen. Dabei sind horizontale (ggf. mit aufgesatteltem Motor) und vertikale Aufstellungsvarianten moglich. Zur Sicherheit gegen Verstopfing wird ein freier Kugeldurchgang von mindestens 100 mm fur die Fordereinrichtung und die Druckleitung empfohlen. Bei gewiinschten geringeren Durchgangsmagen konnen Pumpen mit Zerkleinerungseinrichtungen gewahlt werden. Um sich dem schwankenden Zufluss anpassen zu konnen, werden haufig Frequenzumrichter venvendet, welche eine Drehzahlregelung und damit eine Regulierung des Fordervolumenstromes ermoglichen. Die dabei verstarkt auftretenden Warmeverluste sind bei der Festlegung der erforderlichen Leistungsreserve des Antriebsmotors zu beachten. Zur Feststellung der Druckhohe an der Pumpe werden Rohrfedermanometer rnit Reinwasservorlagen gewahlt oder auch elektrische Druckaufnehmer an die Druckleitung angeflanscht. Durchflusse werden dabei standardmagig mit Magnetisch-Induktiven Durchflussmessern (MID) beriihrungslos aufgezeichnet.

1.2.3

Abwassedbrderschnecken

Obwohl sie in der Investition deutlich teurer sind als Kreiselpumpwerke, sind Schnekkenpumpen wegen ihrer stufenlosen selbstregulierenden Fordercharakteristik mit gleichbleibend gutem Wirkungsgrad zwischen 25 und 100% der maximalen Fordermenge immer noch sehr beliebt. Sie zeichnen sich augerdem aus durch einen gerin-

1.3 Abwasserreinigung

15

gen Wartungsbedarf aufgrund der Unempfindlichkeit gegeniiber den im Zulauf zur Anlage enthaltenen Abwasserinhaltstoffen. Die Forderung erfolgt drucklos in meist offenen Fordertrogen nach dem seit iiber 2000 Jahren bekannten Prinzip der Archimedes-Schraube. Der Einsatz von Forderschneckenist jedoch auf geodatische Forderhohen von unter 6 m beschrankt, um die Verformungen der Stahlschneckenzu begrenzen. Wegen des auf meist unter 38" begrenzten Anstellwinkels der Forderrinne mit der ein- bis dreigangigen Schnecke wird das Gesamtbauwerke mit dem Zulaufsumpf und dem h u m zur Unterbringung der Antriebe sowie Schaltanlagen relativ grog und teuer. Die Messung der Forderleistung erfolgt oft hinter den Schneckenpumpwerken in offenen Venturi-Messrinnen.

1.3

Abwasserreinigung

Die Abwasserreinigung erfolgt in hintereinander geschalteten Anlagen, in welchen vom Groben zum Feinen fortschreitend dem Abwasser die unenviinschten Inhaltsstoffe entzogen werden. Die einzelnen Anlagen werden der mechanischen, der biologischen und der weitergehenden Abwasserreinigung zugeordnet. 1.3.1

Mechanische Abwasserreinigung

Die mechanische Abwasserreinigung(auch primare Reinigung genannt) umfasst traditionell die Verfahren Rechen Sand- und Fettfang Sedimentation in der Vorklarung In diesen Anlagenteilen werden Grobstoffe, Sande und Fette sowie absetzbare Inhaltsstoffe aus dem Abwasser entfernt. 1.3.1.1

Rechenanlagen

In Rechenanlagen werden die groben Verunreinigungen mechanisch aus dem Abwasser entnommen. Dabei durchflieBt das Abwasser einen meist senkrecht angeordneten Gitterrost, an dem die Grobstoffe hangen bleiben. Vom Rost werden die Verunreinigungen automatisch maschinell entnommen. Vom lichten Mag des Stababstandes bzw. der Durchgangsoffnung hangt es ab, bis zu welcher GroBe Grobstoffe entfernt werden konnen. In den letzten Jahren ist ein Trend zu einer immer umfassenderen Entnahme feinerer Stoffe zu erkennen. Warend noch in den 70er Jahren Rechenanlagen mit einem Stababstand von 20 mm iiblich waren, sind heute Durchgangsweiten von 5 - 7 mm an der Tagesordnung.

6

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7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und KIiirschlammbehandlung

Eine umfangreiche Rechengutentnahme verringert in den nachfolgenden Schritten der Abwasserreinigung und Schlammbehandlung die lastige Zopfiildung durch Zusammenspinnen von Faserbestandteilen,erhoht jedoch den Anfall an Rechengut. Zur Vermeidung grogerer Entsorgungskosten wird daher immer grogeres Augenmerk darauf gelegt, das entnommene Rechengut von den f&l-organischen Bestandteilen durch Waschen zu befreien und es zu entwassern. Wegen des vom entnommenen Rechengut ausgehenden hygienischen Gefahrdungspotenzials ist bei der Ausstattung von Rechenanlagen vor allem darauf zu achten, dass eine storungsarme und mit minimaler personeller Betreuung auskommende Technik zurn Einsatz kommt. Die Rechengutentnahme, -wasche und -entwasserung ist selbstverstandlich vollstandig zu automatisieren. Die groge Bedeutung reibungslos funktionierender Rechenanlagen wird vom Betriebspersonal von Klaranlagen immer wieder hervorgehoben. 1.3.1.2

Sand- und Fettfang

Im Sand-und Fettfang wird im Anschluss an die Entnahme der Grobstoffe im Rechen die moglichst komplette Abscheidung von Sand und Fett angestrebt. Hierdurch werden nachfolgende Pumpen geschutzt und Sandablagerungen in Becken oder Behaltern vermieden. Bei Klaranlagengrogen mit uber ca. 5000 Einwohnenverten hat sich dazu die Technik des belufteten Langsandfangs, sehr haufig erganzt durch eine langsseits angeordnete Fettkammer, bewtihrt. Eine gegenuber dem Fettfang installierte Beluftungseinrichtung gewahrleistet durch eine Spiralstromung im Sandabscheideraum die Mindeststromungsgeschwindigkeit,welche das unenviinschte iibermagige Sedimentieren von organischen Schlammbestandteilen verhindert. Die Entnahme des in der Bodenrinne des Sandfangraumes abgelagerten Sandes erfolgt in der Regel entweder mit einem Schild- oder Saugraumer. Durch den haufig bei kleineren Anlagen gewahlten Schildraumer wird der Sand in den Sandentnahmetrichter geschoben und von dort entweder mit einem Druckluftheber (Mammutpumpe) oder einer speziell fur diesen Forderzweck konstruierten Sandforderpumpe in den Sandklassierer oder -wascher gefordert. Im Gegensatz dazu entnimmt der Saugraumer den Sand wfirend der Bestreichung der Sandrinne direkt von der Stelle seiner Lagerung. Dies erfolgt entweder mit einer Sandpumpe oder mittels eines Hebers. Im Regelfall wird der Sand dabei in eine langs zum Sandfang liegende Sandrinne gefordert, in der das gehobene Sand-Wasser-Gemischder Sandbehandlung zufliegt. Friiher wurden haufig Sandbehandlungsanlagenauf den Raumeinrichtungen befestigt. Aus Griinden der Frostgefahr und der bei dieser Ausfuhrung unnotig schweren Gestaltung des Raumenvagens wird dies heute kaum noch angeboten. Die Sandbehandlung verfolgt das Ziel der Abtrennung ubermagiger organischer Verschmutzung (Sandklassierer, -wascher). Wird die Forderung nach einem minimierten Restgehalt an organischen Bestandteilen von unter 5 % oder gar weniger gestellt, so ist eine Sandwasche zu wahlen. Diese ermoglicht es, den Sand so sauber zu waschen, dass er trotz gestiegener Anforderungen 111 auf Deponien abgelagert oder sogar wiedervenvertet werden kann.

1.3 Abwasseninigung 17

Die in der Fettfangkammer aufgeschwommenen Schwimmstoffe werden i. d. R. mit einem Schwirnmschlammraumschildin einen Fettschacht geschoben und von dort moglichst wasserfrei der Schlammbehandlung zugefiihrt. Bevorzugt wird die direkte Zugabe in die Faulung. Bei Klaranlagen ohne Faulung muss das Fett als Abfall entsorgt werden. 1.3.1.3

Vorkkirung

In der Vorklarung sedimentieren die absetzbaren, tiberwiegend organischen Abwasserbestandteile und werden als Primarschlamm (auch Vorklarschlamm)aus der Abwasserbehandlung entfemt. Meist erfolgt die Schlammentnahme mit Hilfe eines Schildraumers, der die flache Sohle der Vorklarung bestreicht und den Schlamm in die in der Regel zuflussseitig angeordneten Schlammtrichter befordert. Die Entnahme des Primarschlammes aus den Trichtem erfolgt normalerweise iiber eine baulich realisierte Hohendifferenz zwischen den Wasserspiegeln im Becken und dem Schlammablassschacht.Wegen der meist sehr guten Eindickbarkeitdes Vorklarschlammes ist auf Vorkehrungen zur Spiilung der Entnahmevorrichtungen zu achten, u m Verstopfungen vorzubeugen. Das mechanisch geklarte Abwasser verlasst die Vorklarung nach Passieren einer Tauchwand, welche Reste von Schwimmstoffen von der nachfolgenden Biologie femhalten soll. Schwimmstoffe sind durch automatisch arbeitende Entnahmevorrichtungen von der Wasserspiegeloberflache zu entnehmen. Ihre Weiterbehandlung bzw. Entsorgung kann zusammen mit den Schwimmstoffen aus dem Fettfang erfolgen. 1.3.2 Biologische und weitergehende Abwasserbehandlung

In der biologischen Reinigung erfolgt iiber die rein mechanische Abwasserreinigung hinausgehend eine Entfemung der noch enthaltenen organischen Kohlenstoffierbindungen durch Mikroorganismen in Bioreaktoren. Gegebenenfalls konnen in einer weitergehenden Abwasserbehandlung die Ntihrstoffe Stickstoff und Phosphor ebenfalls umgewandelt und aus dem Abwasser entfemt werden. In den Bioreaktoren konnen die Mikroorganismen entweder suspendiert im Abwasser vorhanden sein (Belebtschlamm- oder Belebungsverfahren) oder auf Aufwuchskorpem fuciert vorgehalten werden (z. B. Tropfkorper). Da sich als biologischer Reaktor in den meisten Fdlen der Suspensionsreaktor "Belebungsbecken" (gegeniiber dem Festbettreaktor ,Tropfkijrper" oder "Tauchkorper") durchgesetzt hat, wird im Weiteren ausschliefilich auf die biologische Reinigungsstufe nach dem Belebungsverfahren eingegangen.

8

I

7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klarschlammbehandlung

1.3.2.1

BelebungsverFdhren

Das Belebungsverfahren besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten (Abb. 1.3): 1. dem Belebungsbecken, in dem der Abbau bzw. die Umwandlung der Schmutzstof-

fe erfolgt und das ausgestattet ist mit der Beluftungs- und Umwalzeinrichtung zur Deckung des Sauerstoffbedarfs der Mikroorganismen und Optimierung des Stoffumsatzes sowie 2. dem Nachklarbecken, in dem die Mikroorganismenmasse durch Absetzen vom gereinigten Abwasser getrennt und anschliegend zur Aufrechterhaltung der Belebtschlammkonzentration in das Belebungsbecken zuriickgefihrt wird (Rucklaufschlamm). Der Belebtschlamm besteht aus Flocken zusammengeballter Mikroorganismenkolonien, welche sich infolge Schwerkrafteinwirkungim hydraulisch ruhigen Milieu der Nachklarung absetzen lassen. Belebungsbecken

Moderne, weitergehend biologisch arbeitende Anlagen zur Abwasserreinigung mit Nahrstoffelimination weisen entweder Belebungsbeckenteilvolumen oder Betriebsphasen auf, in denen im turbulenten Milieu entweder eine kiinstliche Beluftung zum Zweck des Sauerstoffeintrages erfolgt oder bewusst ohne Sauerstoffeintrag nur eine Umwalzung sicherzustellen ist. Als klassische Verfahren kommen beispielsweise zur StickstoffentfernungAnlagen mit ,,vorgeschalteter",,,simultaner" oder ,,alternierender" Stickstoffelimination zum Einsatz. Im sog. Nitrifikationsmilieu muss durch die Beliiftungseinrichtungen ausreichend Sauerstoff angeboten werden, sodass die mikrobielle Oxidation des Ammonium-Stickstoffes moglichst weitgehend und schnell erfolgt. Zur Denitrifikation (N-Entfernungsprozess)muss dagegen das Milieu im Abwasser anoxisch sein, d. h. es darf kein geloster Sauerstoff gegenwartig sein, damit der im gelosten Nitrat enthaltene Sauerstoff von den Mikroorganismen

NAcH
VORGESCHALTETE DENTRFKATW UND B0-P

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Abb. 1.3

I

19S-m-

Belebungsanlage mit vorgeschalteter Denitrifikation und biologischer Phosphoreliminierung

7.3 Abwasserreinigung 19

herangezogen wird. Dabei ist zur Vermeidung von Sedimentationsvorgangen,jedoch auch wegen der gewiinschten hohen Umsatzraten der Inhalt des Belebungsbeckens umzuwalzen. Die Entfemung des Phosphors kann durch die biologische Phosphorelimination oder traditionell mit Hilfe der chemischen Falung erfolgen. Der biologische Weg lauft ab, wenn die Biomasse zeitweilig anaeroben Umweltbedingungen ausgesetzt wird, also weder Sauerstoff noch Nitrat zugegen sind. Diese f3r einen an sich aeroben Schlamm kritischen Milieubedingungen induzieren die verstarkte Aufnahme von Phosphat in die Biomasse und ermoglichen somit die Fixierung von Phosphor im Uberschussschlamm. Wahrend die biologische Phosphorelimination noch nicht gezielt durchgefiihrt werden kann, ist es mit Hilfe der chemischen Phosphorfallung moglich, die festgelegten Ablaufwerte sicher durch eine Beeinflussung der Dosiermengen an Metallsalzen zu unterschreiten. Sauerstofbersorgung

Der Sauerstoffversorgung des belebten Schlammes kommt im Reinigungsprozess eine herausragende Bedeutung zu. Die Oxidation von organischen Verbindungen (biochemischer Abbau) sowie des Stickstoffes zur Minimierung des Ammoniumgehaltes im Ablauf der Abwasserreinigung sind die primaren Prozessziele. Wegen des grogen Bedarfs an Energie zur Sauerstoffversorgung des belebten Schlammes im Belebungsbecken ist die technische Optimierung der Beluftungseinrichtungen eine herausragende Aufgabenstellung. Einerseits ist es aus Griinden des gewiinschten Energiesparenswichtig, unnotig hohe Sauerstoffgehalte im Becken zu vermeiden, andererseits sind Mindestgehalte an gelostem Sauerstoff (ca. 1- 1,s mg O,/L) erforderlich, um die Reinigungsprozesse optimal ablaufen zu lassen. Erfahrungsgemag sind etwa 213 bis 314 des Verbrauchs an elektrischer Energie auf einer Klaranlage der Beliiftungsanlage zuzuordnen. Dies hebt die groge Bedeutung einer gut regulierbaren Beliiftungsardage hervor. Um in Schwachlastzeiten eine unnotige Energieverschwendung zu vermeiden, muss die Sauerstoffeintragsleistung der Beluftungsanlage in weiten Bereichen regelbar sein. Denn wegen der erheblichen Belastungsschwankungen der Abwasserreinigungsardagen durch die Lebens- und Produktionsgewohnheiten im Einzugsgebiet sowie moglicher Belastungsspitzen bei Starkregenereignissen ist mit Sauerstoflbedarfsschwankungen bis 1 zu 10 und ggf. sogar noch hoher zu rechnen. Eine Vorhaltung von angemessenen Sicherheitsresemen ist wegen der zentralen Bedeutung der Sauerstoffversorgung zu berticksichtigen. Erfkrderliche UmwPlzung

Zur Gewahrleistungoptimaler Reinigungsablaufe sind je nach verfahrenstechnischer Konzeption die betrieblichen Ziele "ausreichende Turbulenz" und ,technisch optimierter Sauerstoffeintrag"zu unterschiedlichen Zeiten oder an verschiedenen Orten in der Belebung zu realisieren. Der gewiinschten Mindestturbulenz kommt eine groge Bedeutung zu, um sicher zu sein. dass auch samtliche im Becken vorhandene Biomasse aktiv am Stoffwech-

10

I

7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klijrxhlammbehandlung

selprozess beteiligt ist und Ablagerungen auf der Belebungsbeckensohle und in den Ecken vermieden werden. An Umwalzaggregaten unterscheidet man vom Prinzip her Stromungserzeugermit horizontaler und vertikaler Antriebswelle. W&rend in Umlaufbecken bevorzugt Propellernihrer mit horizontaler Welle zum Einsatz kommen, werden bei Becken, die eher einem Riihrkessel entsprechen, sowohl Riihrer mit vertikaler als auch horizontaler Welle eingesetzt. Die erforderliche Energiedichte, welche die Sedimentation von Belebtschlamm im biologischen Reaktor verhindert, kann nicht generell festgelegt werden. In der Regel liegen Praxiswerte bei bis zu 3-5 W/m3. Eine Auslegung erfolgt auf der Grundlage von Hersteller-Know-how,welche die speziellen Bedingungen wie Beckenform und Schlammgehalt beriicksichtigen. Rikklaufjchlammpumpwerk

Zur Bereitstellung einer moglichst hohen Biomassenkonzentration in der Belebung ist, wie eingangs schon aufgezeigt,die Ruckforderungdes sedimentierten Schlammes aus der Nachklarung in die Belebung erforderlich. Dieser Rucklaufschlammvolumenstrom gewahrleistet das eigentliche Reinigungspotenzialder Belebungsanlagen,namlich die aktive Biomasse. Die Riicklaufschlammpumpwerke fordern den aus den Nachklarbecken entnommenen Belebtschlamm mit Kreiselpumpen in den Zulauf zu den Belebungsbecken zuriick. Hierbei sind im Normalfall allerdings nur geringe geodatische Forderhohen von ca. 0,s -2 m zu ubenvinden. Die Volumenstrome, die diese Pumpwerke zu fordem haben, liegen etwa in der gleichen Grogenordnung wie die der Abwasserreinigungsanlagezufliei3endenAbwassermengen. Somit ist auch bei diesen Aggregaten auf eine ausreichend gute Anpassungsmoglichkeitan die schwankenden Durchsatzmengen zu achten. Hierzu wird heute oft die Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter bevorzugt. Die Vorhaltung eines Reserveaggregates ist bei Rucklaufschlammpumpwerken mit weniger als drei Pumpen erforderlich. Zur Schonung des belebten Schlammes gegen Flockenzerstorung werden Kreiselpumpen gewahlt, die bevorzugt mit niedrigen Drehzahlen arbeiten. Fur die Nutzung hoher Wirkungsgrade konnen hier Mehrkanalradkreiselpumpen gewahlt werden, wenn Feinrechen im Anlagenzulauf ausreichend Schutz vor Grob- und Spinnstoffen bieten. Rezirkulationspumpwerke

Eine andere besondere Art der Pumpwerke in Verbindung mit der weitergehenden biologischen Abwasserreinigung mit Stickstoffeliminationsind die bei vorgeschalteten Denitrifikationsanlagen notwendigen Rezirkulationspumpwerke, die das nitrathaltige Schlamm-Wasser-Gemischvom Ablaufbereich der Belebungsbecken wieder zuriick in den Denitrifikationsbereich fordem. Diese Pumpwerke mussen zur Gewahrleistung einer ausreichend niedrigen Konzentration an Nitrat im Ablauf der Abwasserreinigung relativ hohe Rezirkulations-oder Ruckfiihrratenrealisieren. Oft sind Ruckfiihrungen von 100- 300 % der Zulaufivassermenge erforderlich. In seltenen Fallen konnen die Kreislaufivasserstrome sogar noch hoher liegen. Eine besondere

1.3 Abwasseneinigung

Eigenart dieser Rezirkdationspumpwerkesind die aderordentlich geringen Forderhohen von meist nur wenigen Dezimetern. Deshalb haben sich bei dieser Aufgabenstellung insbesondere Propellerpumpen bewhrt. Auch bei den Rezirkdationspumpwerken ist es wichtig, eine gute Abstufung der installierten Leistung zu realisieren, wenn je nach Denitrifhtionsumfang und schwankendem Bedarf an nitrathaltigem Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch die Denitrifhtion optimiert werden soll. Eine geeignete Anpassung kann bei kleineren Anlagen jedoch auch mit einer diskontinuierlichen Rezirkdation (bedarfsabhangigmit einer Arbeitszeit-Pausen-Steuerung) erfolgen. Phosphorelimination

Die Elimination von Phosphor aus dem Abwasser erfolgt meist nach dem traditionellen Verfahren der Fallung mit Metallsalzen. Hierzu wird Eisensalz (bei ausreichend hoher Saurekapazit2t)oder Aluminat in flussiger Form in das Abwasser dosiert. Nach einer meist sehr schnell erfolgten Reaktion mit dem Phosphat kann der Metall-Phosphatkomplex in Form einer Schlammflocke vom Abwasser abgetrennt werden. In den meisten Anlagen erfolgt diese Fallung simultan im Belebungsbecken und der gefallte Phosphor wird dabei mit dem Uberschussschlamm entfernt (Simultanallung). Die Verfahren der Vorfallung (FUung vor der Vorklarung und Entnahme mit dem Primarschlamm), sowie die klassische Variante der Nachfallung (in einer eigens zu diesem Zweck errichteten Sedimentationsstufe fur den Fallungsschlamm) entsprechen nicht den aktuellen Bedidkissen an die Abwasserreinigung. Die Vorfdlung birgt den Nachteil einer unvermeidlich zu weitgehenden Elimination organischer Kohlenstoffe vor der spateren Denitrifikation, was zum Bedarf einer externen Dosierung von organischen Kohlenstofierbindungen fiihren kann. Im Vergleich zu einer leistungsstarken Flockungsfdtration (s. Abschnitt 1.3.2.2) schneidet eine eigenstkdige Nachfaung mit F3lungsschlammsedimentationwegen des dam erforderlichen erheblichen baulichen Aufwandes oft schlechter ab, sodass die klassische Nachfallung heutzutage kaum noch vorgeschlagen wird. Attraktiv sind die verfahrenstechnischen Moglichkeiten der biologischen Phosphorelimination durch Bereitstellen von anaeroben Phasen im Kreislauf des belebten Schlammes. Der Milieuwechsel von der anaeroben Phase im ,,Bio-P"-Becken (teil), bei der nicht nur kein geloster Sauerstoff sondem auch kein Sauerstoff in Form des Nitrates vorhanden ist, zu einer aeroben Phase im belufteten Teil des Belebungsbeckens fordert die deutlich erhohte Aufnahme von Phosphor im belebten Schlamm. Auf dem Weg der Uberschussschlammentnahme kann somit auch ohne eine chemische Fallung ein betrachtlicher Ted des im Abwasser enthaltenen Phosphors entfemt werden. Zum sicheren Einhalten der gesetzlichen Grenzwerte reicht die biologische Methode der Phosphorelimination jedoch leider nicht aus. Nachklrrbecken

Mit dem biologisch gereinigten Abwasser verlasst der Belebtschlamm den biologischen Reaktor, um in der Nachklarung abgetrennt zu werden. Zu diesem Zweck werden meist Sedimentationsbeckenverwendet, in denen sich der Schlamm beim Durch-

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1 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Kfiirschlammbehandlung

flieBen mit sehr kleinen Flieggeschwindigkeiten vom Wasser trennt, sich auf dem Boden der Becken absetzt und dort eindickt. Zur Raumung des Schlammes werden Schild-oder Saugraumer venvendet. Schildraumer schieben den eingedickten Belebtschlamm in einen Trichter, in dem die Rucklaufschlammsaugleitung ansetzt. Altemativ zum Schildraumer konnen Saugraumersysteme venvendet werden. Dabei wird der sedimentierte Schlamm direkt vom Beckenboden entweder uber Saugrohre oder seltener auch uber Pumpen in das Fordersystem gehoben, das den Schlamm meist uber das Mittelbauwerk des Nachklarbeckens auf die Saugseite des Rucklaufschlammpumpwerkes fuhrt. Die Rucklaufschlammpumpen befordern den Schlamm dann wieder in die Belebung. Zur Vermeidung von Aufwirbelungen des schon sedimentierten und eingedickten Schlammes ist sicherzustellen, dass sich das an der Raumerbriicke hangende Schlammraumsystem ausreichend langsam durch das Becken bewegt. Weiterhin ist sicherzustellen, dass das Raumsystem in der Lage ist, die in das Becken verfrachtete Schlammmenge nach deren Sedimentation und Eindickung komplett aus dem Becken zu entfernen (Nachweis der Raumleistung). Von groBer Bedeutung fur die Einhaltung der Ablaufanfordemngen ist es auch, mogliche sich auf der Nachklarbeckenoberflache bildende Schwimmstoffe sicher vor einem AbflieBen im Ablauf zuriickzuhalten und vom Wasserspiegel zu entfernen. Hierzu werden Schwimmschlammraumsystemeeingesetzt, die an der Raumerbriicke befestigt werden. Schwimmschlamm ist zur Vermeidung der Anreicherung im Schlammkreislauf aus diesem zu entfernen und in die Schlammbehandlung zu verbringen. Das vom Schlamm befreite und gereinigte Abwasser verlasst die Nachklarung nach Passieren einer Tauchwand und Absttirzen uber eine Uberfallkante. Als Ablaufkonstruktion werden seit Jahrzehnten genormte Uberfallbleche verschiedener Formen venvendet. In jungerer Zeit wkihlt man auch getauchte Ablaufrohre, die hydraulisch weniger empfindlich sind gegenuber durch Wind unterschiedlich beeinflussten Wasserspiegellagen im Becken. Ein nach wie vor erhebliches Problem ist die Aufgabe der Sauberung der Ablaufkonstruktionen. An den Tauchwanden, Ablaufrinnen, Tauchrohren und deren Konsolen bauen sich, unterstiitzt durch die vom Licht verursachte Fotosynthese, Ablagerungen und Zopfe von mit Schlamm durchsetzten Algen auf. Diese bergen bei einem Abtrieb als Trager organischer Substanz die Gefahr der Uberschreitung der Ubenvachungswerte und mussen beseitigt werden. Die dazu venvendeten Burstensysteme eignen sich fur sehr nahe an der Oberflache liegende Einbauten. Sie bringen allerdings eine unerwiinschte hydraulische Unruhe ins Becken, wenn die mehrere Dezimeter tief unter dem Wasserspiegel angeordnete Oberflachen gereinigt werden.

1.3.2.2

Weitergehende Reinigungsmagnahmen

Wahrend noch vor etwa 15 Jahren die Elimination von Stickstoff und Phosphor aus dem Abwasser als weitergehende MaBnahmen eingestuft wurden, sind diese heutzutage zum Standard geworden. Bei Anlagen uber 5000 EW ist Stickstoff in Form des Ammoniums, bei Anlagen uber 10 000 EW der Gesamtstickstoff und -phosphor nach

1.4 Schlamrnbehandlung

der Verordnung iiber Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewasser [2] zu begrenzen. Dagegen werden heute AbwasserreinigungsmaBnahmen,die auf Grund scharferer Anforderungen an die Qualit2t des gereinigten Abwassers zusatzliche technische Stufen notwendig machen, zutreffender als "weitergehend beschrieben. Hierzu werden z. B. Filtrationsstufen gezahlt, jedoch auch Anlagen zur Reduzierung der Keimbelastung im Abwasser (Abwasserdesinfektion). In traditionellen Filtrationsanlagen werden in der Nachklarung nicht ausreichend weit abgeschiedene suspendierte Inhaltsstoffe (feine Belebtschlammpartikel) bei der Passage durch ein Filtrationsmedium zurickgehalten. Mit solchen Filteranlagen konnen damit nicht nur die Feststoffrestkonzentrationen sicher unter wenige Milligramm je Liter Abwasser gebracht werden, sondem ein wesentlicher Vorteil wird auch darin gesehen, dass durch die weitgehende Feststoffabtrennung die uberwiegend an den Feststoff angelagerten Phosphorverbindungen ebenfalls aus dem Abwasser entnommen werden. Bei der Flockungsfiltration wird das Abwasser vor der Filterpassage emeut mit Ftdlmittel versetzt, was eine Absenkung der Restphosphorgehalte auf sicher unter 1, bei Bedarf auch 0,smg P/L ermoglicht. In modifizierten neu entwickelten biologisch aktiven Filtern werden die Filtrationsmedien auch als Auhchsflache fur Biomasse genutzt. Auf diese Weise kann der physikalische Feststoffrickhalt im Porengefiige des Filters gleichzeitig um eine weitere biologische Reinigung (Nitrifikationoder auch Denitrifikation) erganzt werden. Wird eine Entkeimung des Abwassers gefordert (z. B. um Badegewasser vor Keimbelastung zu schutzen) wird heute meist das Verfahren der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht gewtihlt. Das gereinigte Abwasser durchflieBt dazu Strahler, die das Wasser mit Licht einer geeigneten Wellenlange durchleuchten und dabei die Keime zerstoren. 1.3.2.3

Ablautkontrolle

Vor dem Einleiten des gereinigten Abwassers in ein offentliches Gewasser erfolgt die Passage einer Mengenmessung und eine Qualitatskontrolle.Je nach GroBe der Anlage werden z. B. nach der Eigenkontrollverordnung der jeweiligen Ender unterschiedlich umfangreiche Kontrollmessungen gefordert.

1.4 Schlarnrnbehandlung

Ziele der Schlammbehandlung (Abb. 1.4) sind zum einen die Verminderung der Fadnisfiihigkeit (Stabilisierung)und die Volumenreduktion (Eindickung,Entwasserung). Zur Veranderung der Schlammqualit2t und zur Verminderung des zu entsorgenden Schlammvolumenstromes erfolgt die Behandlung des anfallenden Klarschlammes auf der Klaranlage selbst. Bei der qualitativen Beeinflussungdes Schlammes geht es vor allem um den Abbau der im Rohschlamm vorhandenen hohen organischen Fraktionen von haufig iiber 213

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7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klijnchlammbehandlung

Abwasserreinigung VK

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Schlarnmbehandlung

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Abb. 1.4

I

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Ubersicht uber das System der Abwasserreinigung mit Schlarnmbehandlung

des Gesamtfeststoffes.Diese instabilen, sich schnell unter Geruchsbildung zersetzenden Inhaltsstoffe sollen durch einen in der Regel anaeroben, bei kleineren Anlagen jedoch auch aeroben biologischen Abbau soweit reduziert werden, dass ihre weitere unvermeidliche Zersetzung ohne eine unzumutbare Belastigung der Umwelt vor sich gehen kann. Die problematischen Schwermetalle, die sich aufgrund ihrer vielfaltigen Venvendung im antropogenen Wirkungsbereich noch immer - allerdings heute in stark vermindertem Umfang - im Schlamm anreichem, konnen durch die klassischen Verfahren der Schlammbehandlung nicht vermindert werden. Umweltschutz ist hier durch Schadstoffvermeidungim Einzugsgebiet angesagt. Eine Volumenreduzierung der Klarschlammmengewird durch die Schritte der Eindickung, Entwasserung und ggf. Trocknung erreicht. Unter Eindickung versteht man die Aufkonzentration der Schlammfeststoffeim immer noch flussigen Milieu (meist unter 10 % Trockenriickstand VR]).Eine Eindickung erfolgt in der Regel vor der Stabilisierung, da so die notwendigen Reaktorvolumina kleiner ausfallen konnen. Die Entwasserung, verfahrenstechnisch hinter der Schlammstabilisierung angeordnet, treibt die Wasserentfernung soweit, dass nach der Entwasserung i. d. R. eine pasteuse bis stichfeste Konsistenz (meist 20- 35 % TR) vorliegt. Diese funktioniert im Normalfall nur nach einer entsprechenden Konditionierung des Schlammes, d. h. durch Zugabe von Flockungs-und/oder Entwasserungshilfsmitteln. Die Verfahrensschritte der Trocknung (Venvendung thermischer Energie) sind derzeit nicht zum Standardumfang der Schlammbehandlung zu rechnen. Sie sind jedoch heute schon bei kleinen und groBen Anlagen dann zu finden, wenn die Entsorgung ausschlieBlich entwasserten Schlammes problematisch ist. Thermisch getrocknete Schlamme konnen Fest-

I

1.4 Schlommbehandlung

stoffgehalte von 80-98% TR ausweisen und stellen somit das geringste zu entsorgende Restvolumen dar.

1.4.1

Schlammeindickung vor der Stabilisierung (Voreindickung)

Die in der Vorklarung anfallenden Primhchlamme werden haufig schon im Schlammtrichter der Vorklarbecken eingedickt und konnen somit ausreichend aufkonzentriert direkt der Verfahrensstufeder SchlammstabilisierungzugefArt werden. Die Uberschussschlamme aus der biologischen und ggf. chemischen Abwasserreinigung fallen im Ruddaufschlamm mit sehr geringen Feststoflkonzentrationen von nur etwa 0,7-1’2% Trockenmasse an. Das bedeutet, dass 99% des Uberschussschlammes Wasser ist. Dieser groBe Wasseranteil ist mit dem Ziel der wirtschaftlichen Auslegung der nachfolgenden Anlagenstufen sowie eines tragbaren betrieblichen Auhandes zu reduzieren. Zur Uberschussschlammeindickungkommen bei modemen Anlagen ab einer GroBe von etwa loo00 EW heute fast immer Maschinen zum Einsatz. Darin wird das uberschussige Schlammwasser ggf. nach einer Konditionierung durch die Einwirkung der natiirlichen oder kihstlich versarkten Schwerkraft vom Feststoff abgetrennt, mit dem Ziel, Endfeststoffgehalte von 5 - 10% TR zu erreichen. Die friiher haufig verwendeten Schwerkrafteindicker kommen bei groBeren und modem ausgestatteten Anlagen, in denen eine biologische Phosphorelimination gezielt betrieben wird, immer seltener zum Einsatz, da whrend der langen Schlammaufenthaltszeiten beim Eindickprozess eine Rucklosung des urspriinglich von den Mikroorganismen aufgenommenen Phosphors unvermeidlich ist. AuBerdem werden mit Schwerkrafteindickem in der Regel geringere Endfeststoffgehalte erreicht als mit Maschinen. Wenn trotzdem Schwerkrafteindicker gewiinscht werden, so sind sie tiblicherweise abzudecken und zu be- und entltiften. Die geruchsbeladene Abluft ist iiber eine Abluftreinigung zu m r e n . Hierzu haben sich biologische Filter mit Rindenmulch oder Kompost als Tragergut bestens bewhrt. Als Aggregate zur maschinellen Schlammeindickung kommen Siebmaschinen (nach obligater Flockung mit Konditionierungsmitteln)in der Form von Bandgeraten oder Trommeleindickern zur Anwendung. Die Zentrifugen (fast ausschlieglich kontinuierlich arbeitende Dekantiermaschinen),kommen je nach SchlammqualiCit gelegentlich ohne Flockungsmittel aus. Die Regel ist jedoch, dass die Vorrichtungen zur Konditionierung zumindest vorgehalten werden sollten oder mussen, denn die Eindickcharakteristik eines Schlammes lasst sich vor Inbetriebnahme der Klaranlage nicht ausreichend sicher vorhersagen. Eingedickt abgezogener Primarschlamm und meist maschinell eingedickter Uberschussschlamm gelangen dann in einer noch gut pumpf&igen, dickflussigen Konsistenz rnit etwa 4- 7 % TR in die Schlammstabilisierung.Diese Feststoffkonzentration ermoglicht eine wirtschaftliche Auslegung der teueren Reaktoren der Schlammstabilisierung, deren bedeutendstes Bemessungskriterium die hydraulische Schlammaufenthaltszeit ist.

16

I

7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klijrschlarnrnbehandlung

Als Pumpen zur wohl dosierten Forderung eingedickter Schlamme haben sich im Bereich der Schlammbehandlung auf vielen Anlagen Exzenter-Schneckenpumpen durchgesetzt. Die Durchsatzleistung lasst sich bei diesen Aggregaten durch Getriebe, jedoch auch iiber frequenzgeregelte Antriebe in weiten Bereichen variieren. 1.4.2 Schlammstabilisierung 1.4.2.1 Schlammfiulung

Bei der Schlammstabilisierung hat sich oberhalb von AnlagengroBen von etwa 20 000 - 30 000 EW die anaerobe mesophile (bei etwa 33 - 38 "C betriebene) Faulung als das gesamtwirtschaftlicheVerfahren mit einer grogen Nachhaltigkeit herausgestellt. Dies gilt trotz der hohen Investitionskosten, die die Faulbehalter erfordern, vor allem wegen ihrer Eigenschaft, das wertvolle methanhaltige Faulgas zu erzeugen und im Betrieb nur sehr geringe Mengen an Fremdenergie (ubenviegend zur Umwalzung) zu beanspruchen. Der Warmebedarf der Faulungsanlagekann bei groBeren Anlagen ganzjahrig durch das anfallende Faulgas abgedeckt werden, das zur Beheizung des Rohschlammes und zum Ausgleich der Warmeverluste herangezogen werden kann. Oft ermoglicht die Gasproduktion sogar den Betrieb von Blockheizkraftwerken zur Erzeugung von Strom, welcher in der eigenen Anlage immer vollstandig verbraucht werden kann. Die Abwarme dieser Gasmotoren wird ebenfalls zur Beheizung herangezogen. Behalterausrilstung

Die verfahrenstechnische Ausriistung der Faulbehalter hat neben der Sicherung einer recht genau einzuhaltenden Schlammtemperatur von ca. 35 2 "C vor allem eine perfekte Durchmischung des Faulrauminhaltes zu gewtihrleisten, so dass die biochemischen Abbaureaktionen der Zersetzung organischer Substanzen optimal ablaufen konnen. Zu diesem Zweck kommen innen und auBen liegende mechanische Umwalzeinrichtungen zum Einsatz. Bei kleinen Behaltern werden neuerdings mit Flugeln ausgestattete RClhnverke mit vertikaler Welle eingesetzt, weil diese Art der Behalterumwalzungrecht kostengiinstig ist. Bei groBeren Reaktoren wird die innen liegende Umwalzausriistungen jedoch meist in Form eines so genannten Faulschlammmischers ausgefuhrt, der sich seit vielen Jahren sehr gut bewahrt hat. Dieser besteht aus einem im Zentrum des Behalters stehenden Leitrohr und einem oben am Schlammspiegel in dieses Leitrohr hineinragenden Schraubenschaufler, der entweder den Schlamm aus der Tiefe des Behalters ansaugt und oberhalb des Schlammspiegels nach auBen verteilt oder auch in inverser Richtung arbeiten kann. Der Vorteil dieses Faulschlammmischers besteht darin, dass der beweglich agierende Schraubenschaufler ohne Behalterentleerung durch die obere Behalteroffnung entnommen werden kann, und nur das starre und demnach nicht storanfallige Teil des Steigrohres im Behalter verbleiben muss. Ruhnverke mit groBen Durchmessern sind dagegen meist nur nach Behalterentleerung zuganglich.

*

1.4 Schlammbehandlung

Um schwer austauschbare, groBe, innen liegende mechanische Aggregate zu vermeiden, werden kleinere Behdter oft nur mit a d e n liegenden Umwdzeinrichtungen in Form von Kreiselpumpen ausgestattet. Mit diesem System wird die Umwdzung sichergestellt und gleichzeitig die Warme der Heizungsanlage uber Warmetauscher auf den Heizschlammstrom ubertragen. Diese kostengiinstige Technik ist jedoch bei BehdtergroBen oberhalb von 500- 1000 m3 im Allgemeinen nicht mehr allein ausreichend. Altemativ zur mechanischen Umwdzung ist die Faulgasumwalzung (Faulgaseinpressung) zu nennen, die warend der 80er und 90er Jahre oft als sehr griindlich arbeitendes Verfahren bevorzugt wurde. Sie ist in der Lage den kompletten Behdterinhalt in kurzer Zeit umzuwalzen. Dies Verfahren ist heute wieder etwas in den Hintergrund getreten, da die Faulgasumwalzung das oft beklagte Schaumen des Behalterinhaltes verstarkt. Im Maschinenraum fiir die Faulung sind die Umwalzpumpen, Heizschlammpumpen, die Warmetauscher und die Mischbatterien zur Warmwasserversorgungder Betriebsraume in unmittelbarer N a e der Heizungsanlage untergebracht.

Casbewirtschaftung

Weitere wichtige Verfahrenselemente der Faulung sind die Fassung, Aufbereitung und Bewirtschaftung des anfallenden Faulgases. Uber den Dom, den obersten in der Regel aus Edelstahl hergestellten Abschluss des Behalters, wird das Gas entnommen. Neben dem Entnahmestutzen befindet sich hier die Uberdrucksicherung, ein Schauglas zur Beobachtung des Behdterinhaltes, ggf. eine Schaumfalle sowie die Durchfihrung der Antriebswelle fur das Umwalzaggregat. Das Gas wird nach der Schaumfalle von hier aus zur Gasaufbereitung, bestehend aus mehreren Filtem sowie Anlagen zur Kondensatabscheidung,geleitet. Gegebenenfalls erfolgt eine Druckerhohung vor der anddieBenden Speicherung im Gasbehalter bzw. der Verbrennung im Kessel oder Gasmotor.

1.4.2.2

Aerobe Stabilisation

Bei Klaranlagen kleinerer AusbaugroBen scheut man sich oft vor den hohen Investitionskosten der bau- und verfahrenstechnisch aufivendigen Anlagen zur Schlammfaulung sowie vor dem zugehorigen hoheren betrieblichen Aufwand. Unter Hinnahme deutlich hoherer Verbrauchswerte fiir elektrischen Strom entscheidet man sich bei diesen Anlagen haufig fiir die Variante der simultanen aeroben Schlammstabilisation im Belebungsbecken. Bei dieser Verfahrensvariante eneallt eine Vorklarung. Diese simultane aerobe Stabilisation im Belebungsbecken bietet den weiteren Vorteil einer implizit moglichen Stickstoffelimination und ermoglicht eine auBerordentlich einfache Betriebsfiihrung. Technisch unterscheiden sich diese Anlagen von konventionellen Ausfiihrungen im Wesentlichen durch ein deutlich groBeres einwohnerspezifisches Volumen des Belebungsbeckens. Von der Abwasserreinigung getrennte aerobe Schlammstabilisierungsverfahren, z. B. Anlagen zur aerob-thermophilen Schlammstabilisation, sind im Vergleich zu

18

I

I Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klarschlammbehandlung

den beiden vorher genannten Verfahrensvariantendeutlich seltener und werden hier nicht weiter verfolgt. 1.4.3

Entwgsserung Nach der Schlammstabilisierung kann der Schlamm in deutlich verbessertem Qualitatszustand der Entwasserung zugefiihrt werden. Anaerobe Faulschlamme lassen sich meist besser entwassern als aerob stabilisierte Schlamme. 1.4.3.1 "Nacheindickung" und/oder Schlarnrnvorlage Vor der eigentlichen Entwasserung erfolgt meist noch eine Bewirtschaftung in sog. Nacheindickem. Der Begriff ,,Nacheindicker"resultiert aus den Anwendungsfallen, in denen die Stabilisierungsanlagenmit nicht stark eingedickten Rohschlammen beschickt wurden. Dann ist in den Nacheindickern eine nochmalige Schlammwasserabtrennung aus dem stabilisierten Schlamm moglich. Hierzu werden kontinuierlich betriebene "Nacheindicker" groger Durchmesser oft mit Krddwerken ausgestattet, welche den eingedickten Schlamm mit Schlammraumschilden vom Boden der Bauwerke in den zentrisch angeordneten Entnahmetrichter befordern. Zur Optimierung des Eindickergebnisses schneiden Eindickstabe senkrechte Kanale in den Schlamm und ermoglichen somit eine leichtere Wasserabgabe nach oben. Das Triibwasser wird bei diesen im Durchlaufverfahren betriebenen Nacheindickern iiber feste Uberlaufrinnen verdrangt. Bei Eindickern mit kleineren Durchmessern verzichtet man haufig auf Krahlwerke und stattet diese Behalter mit beweglichen Trtibwasserentnahmevorrichtungen oder Stufenablassen aus. Bei heutzutage meist iiber 3 % TR liegenden Feststoffgehalten im stabilisierten Schlamm trennt sich in den ,,Nacheindickem" oft kein Wasser mehr ab, weshalb dann eher die Bezeichnung ,,Schlammvorlage" vor der weiteren Schlammbehandlung angebracht ist. Eine Schlammvorlage als Ausgleichsvolumen ist angemessen, da die Schlammentwasserungsanlagen oft nur an vier Tagen in der Woche betrieben werden, der Schlamm jedoch ggf. taglich anfallt oder zumindest an fiinf bzw. sechs Tagen abgezogen wird. Es empfiehlt sich, Schlammvorlagen mit Rtihrwerken auszustatten, welche die nachfolgende Beschickung der Entwasserungsanlage mit homogenisiertem Schlamm in etwa konstanten Feststoffgehaltes ermoglichen. Auf die Abdeckung von Nacheindickern kann bei gutem Stabilisierungsgrad des Faulschlammes verzichtet werden. Bei schlecht aerob stabilisierten Schlammen, welche unter Sauerstoffabwesenheitnoch fur einen anaeroben Stoffivechsel zuganglich sind, kann sich zur Vermeidungvon Geruchbelastigungeneine Abdeckungempfehlen! In Verbindung mit Abdeckmaanahmen werden meist Einrichtungen zur Abluftbehandlung notwendig. Auf die ex-geschiitzte Ausfiihrung der Anlagenteile, besonders in geschlossenen Schlammbehdtern sei hingewiesen!

7.4 Schlammbehandlung

1.4.3.2

Schlarnrnstapelbehalter

Bei Anlagen, die ihren Schlamm zur landwirtschaftlichenVerwertung abgeben, sind groBe Speichervolumen erforderlich, denn der Schlamm darf nur wahrend der Vegetationspause auf die Nutzflachen aufgebracht werden. Fur einen Zeitraum uber mehrere Monate ist dann der Flussigschlamm auf der Klaranlage in Lager- oder Stapelbehdtern zu speichern. Diese meist sehr groBen Behalter werden neben der traditionellen Ausfiihrung in Beton aus Kostengriinden immer hadiger auch in Stahlbauweise hergestellt. Sie sind gelegentlich mit Triibwasserentnahmevorrichtungen ausgestattet, besitzen aber immer Riihrwerke, um den Inhalt zu homogenisieren. 1.4.3.3 Entwbserungsverfahren

Fur kleinere Anlagen unter 10000 EW ist es oft wirtschaftlich,die Entwasserungsleistung an Dritte zu vergeben. Dafur muss der Fliissigschlamm bevorratet werden. Fur das wahrend der Entwasserungskampagneschlagartig anfallende Filtratwasser ist ein Bewirtschaftungsbehaltervorzusehen. Bei groBeren Anlagen gehort die maschinelle Schlammentwasserung zum Ausriistungsstandard. Die am haufigsten angewendeten Entwasserungsmaschinen sind heute Dekantierzentrifugen und Bandfilterpressen, welche jeweils nur in Verbindung mit einer Konditionierung durch synthetische organische Polymere (ca. 5 - 15 g Wirksubstanz je kg Schlammtrockenrikkstand) erfolgreich arbeiten. Die Dosierung der a d eine 0,l %-ige Gebrauchslosung verdunnten, gereifien Flockungshilfsmittelerfolgt meist durchflussproportional (bei mehr oder weniger konstanten Schlammfeststoffgehalten), idealenveise jedoch auch feststomrachtproportional uber kleine Kolbenpumpen. Mit Zentrifugen und Bandfilterpressen werden bei Ausgangsfeststoffgehaltenvon unter 5 % TR nach einer Faulung meist Endfeststoffgehalte von 25 % TR und mehr erreicht. Bei schlecht entwasserbaren Schlammen - haufig sind dies aerob stabilisierte Schlamme - muss man sich jedoch gelegentlich auch mit Werten um oder nur knapp uber 20% TR zufrieden geben. Sowohl Zentrifugen als auch Bandfilterpressen sind als kontinuierlich arbeitende Maschinen beliebt, wobei sich die kompakt gebauten und geschlossenen Zentrifugen in jiingerer Zeit besonders bei groberen Anlagen immer groberer Beliebtheit erfreuen. Bandfilterpressen sind jedoch bei kleinen Anlagen noch immer konkurrenzfahig. Die Beschidcungder Entwasserungsmaschinen erfolgt i. d. R. mit Exzenter-Schnekkenpumpen, die sich durch ihre sehr genaue Regelbarkeit empfehlen. Der im Rahmen der herrschenden Druckunterschiede ausschlieBlid.1 von der Pumpendrehzahl abhangige Forderstrom ermoglicht es, die erforderliche Menge an Flockungshilfsmittel ausreichend genau zu dosieren. Gelegentlich werden den Entwasserungsmaschinen Zerhacker vorgeschaltet. Diese beeintrachtigen zwar die originaren Entwasserungseigenschafien, was durch eine vers~rkteFlockungsmitteldosierung jedoch kompensiert werden muss. Bei den heute ublichen Fein- und Feinstrechen im Zulauf der Klaranlagen kann, wenn die maschinelle Ausriistung nicht allzu empfindlich gegen zopfbildende Fasern ist, auf diese Zerhacker verzichtet werden.

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I

I Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klanchlammbehandlung

Chargenweise arbeitende Kammerfilterpressen, die in ihrer schweren Bauweise nur unter Aufbringung hoher Investitionskosten zu realisieren sind, werden bis heute gern unter Verwendung mineralischer Entwasserungshilfsmittel wie Eisensalz (etwa 10% des TR) rnit Kalk (bis etwa 30 % des TR) als Zuschlagstoff betrieben. Da durch die Zuschlagstoffe Schlammfeststoffmasseerhoht wird, fiihrt dies zu hoheren Entsorgungskosten. Immer haufiger wird deshalb auch bei Kammerfilterpressen zu der moderneren Konditionierung mit polymeren Flockungsmitteln iibergegangen, welche jedoch wegen des hohen Druckes im Entwasserungsprozess mit groBer Sorgfalt und entsprechend aufwendiger Technik dosiert werden miissen. Werden organische Polymere verwendet, so muss man sich mit Werten von 30 - 35 % TR im entwasserten Schlamm zufrieden geben. Die dabei erforderliche geringe Polymermenge schlagt in der Massenbilanz allerdings nicht durch. Bei der Verwendung von Zuschlagstoffen (meist Kalk) konnen hierdurch nahezu beliebig hohe Feststoffkonzentrationen erzielt werden. In der Regel beschrankt man sich jedoch auf Werte zwischen 40 und 45 % TR im Schlammkuchen. Als Beschickungspumpen der Kammerfilterpressen kamen friiher und in Verbindung mit der Technik einer mineralischen Konditionierungoft schwere Kolbenmembranpumpen zum Einsatz, um die erforderlichen Entwasserungsdriicke von bis zu 16 bar zu erzeugen. Seit geraumer Zeit werden, besonders bei der Konditionierung mit den empfindlicheren Polymeren, fiir Entwasserungsdriickebis hochstens 12 bar, auch Exzenter-Schneckenpumpenverwendet, die wesentlich kleiner bauen, leichter und kostengiinstiger sind. Wegen der mit diesen Pumpen gut realisierbaren, bedarfsgerechten Einstellung der Fordermenge mittels Drehzahlregelung (Frequenzumformer) kann, bei guter Anpassung an den wahrend des Entwasserungsvorganges variablen Druck im Zulauf zur Entwasserungsmaschine, das ,,Zerquetschen" der druckempfindlichen Schlammflocken verhindert werden. Um sich dem gewiinschten breiten Forderspektrum (hohe Fordermenge zur Pressenfdlung, geringere Durchsatzleistung w&rend des Entwasserungsvorganges)optimal anpassen zu konnen, sieht man oft eine groBe Beschickungspumpeund eine oder auch zwei kleinere Entwasserungspumpen vor. 1.4.4

Schlammtrocknung

Reicht die Volumenverminderung durch die oben beschriebenen Entwasserungstechniken nicht aus, so kann diese durch thermische Trocknungsverfahren weiter getrieben werden. Neben den Direkt-Trocknungsverfahrenin Trommeltrocknern, Bandtrocknern und Etagentrocknern werden auch Indirekt-Trocknerals Schneckentrockner, Diinnschichtverdampfer oder Tellertrockner verwendet. Die Technik der Schlammtrocknerist verfahrenstechnisch deutlich aufwendiger als die vorher beschriebene Entwasserung, die mittlerweile Standard auf den Klaranlagen ist. Die thermische Trocknung kornmt daher meist nur bei groBeren Anlagen zur Anwendung, die infolge schwieriger Randbedingungen bei der Schlammentsorgung gezwungen sind, die letztlich aus dem Klarwerksgelande zu entsorgende Restmasse so klein wie moglich zu halten.

1.5 Schlammabtransport

Eine interessante Entwiddung neuerer Zeit ist die solare Trocknung von KIarschlammen unter Folien oder auch Kunststoffglasdachem,die in technisch einfacher Ausfuhrung auch fiir kleine Anlagen mit ausreichend verfiigbarer Flache in Regionen mit giinstigen klimatischen Bedingungen ohne exteme Energie moglich ist.

1.5 Schlammabtransport

Fliissiger Klarschlamm wird im eingedidden Zustand (3 - 5 % TR) in Fahrzeugen mit 6 bis ca. 20 m3 fassenden Tanks zur Verwertung oder Beseitigung direkt aus den Vorlagebehaltem abgefahren. Entwasserter Schlammwird meist direkt aus den Entwasserungsmaschinenin Container abgeworfen. Die Container sind auf dem Anlagengelande mit geeigneten Systemen zu bewegen. Als Standflache fiir die Container und als Verkehrsflache f i r die Lastkraftwagen, die sie abholen, ist auf dem Anlagengelande ausreichend Platz vorzusehen. Bei grof3en Klarwerken erfolgt die Verladung auch iiber Schlammkuchensilos,von denen direkt auf Kipper-Lastkraftwagen abgeworfen werden kann. Literatur 1 Technische Anleitung zur Verwertung, Behandlung und sonstigen Entsorgung von SiedIungsabfdllen, Dritte Allgemeine Verwaltungsvorschriftzum Abfallgesetz (TA Siedlungsabfall), 14. Mai 1993 (BAnz. Nr. 99a). 2 Abwasserverordnung (AbwV),Verordnung iiber das Einleiten von Abwasser in Gaviisser, 21.3.1997 (BGBI I, S. 566). 3 EG-Richtlinie, Behandlung von kommunalem Abwasser, 21. Mai 1991 (91/271/EWG). 4 Verordnung iiber die Eigenkontrolle von Abwasseranlagen (EKVO - Abwassereigenkontrollverordnung) des Landes Hessen, 21. Januar 2000 (GVBl. 2000; S. 59).

Weiterftihrende Literatur ATV-DVWK - Deutsche Vereinigung fiir Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall. A n / Handbuch Biologische und weitergehende Abwasserreinlgung, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 1997. ATV-DVWK - Deutsche Vereinigung fiir Wasserwirtschafi, Abwasser und Abfall, ATV Handbuch Kliirschkamm, Verlag Emst & Sohn, Berlin, 1996. ATV-DVWK - Deutsche Vereinigung fiir Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, ATV Handbuch Mechanische Abwasserreinigung, Verlag Emst & Sohn, Berlin, 1997.

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Rechenanlagen in kommunalen Klarwerken Uwe Nicke

2.1

Einleitung

Rechenanlagen nehmen als Verfahrensschritt der Abwasserreinigungauf kommunalen Klaranlagen eine Sonderstellung ein. Sie bilden meist die erste Stufe der mechanischen Reinigung und mussen damit den Anlagenzulauf mit all seinen mengenmaBigen und qualitativen Schwankungen ohne Puf€erung verkraften. Trotz des vergleichsweise grogen mechanischen Aufwands wird von diesen Anlagen eine extrem hohe Verfugbarkeit gefordert, da ein Ausfall bereits nach sehr kurzer Zeit den Zulauf zur Klaranlage unterbrechen wiirde und eine Umfahrung dazu fiihrt, dass Storstoffe in die nachgeschalteten Verfahrensstufen gelangen. Dort fiihren sie zu Schaden an Pumpen, zu Verstopfimgen und Verunreinigungen. Und schlieBlich liegen fur Reparatur- und Wartungsarbeiten an den Rechenanlagen regelmaBig augerst schwierige hygienische Randbedingungen vor, da sich je nach Grad der Kapselung der Anlagen das ungereinigte Abwasser und seine Inhaltsstoffe mehr oder weniger offen in einem Gebaude befinden. Vom Betriebspersonal der Klaranlagen hart man nicht selten Klagen uber die ungenugende Zuverlassigkeit von Rechenanlagen und den infolgedessen hohen Wartungsaufwand. Zum einen liegen die Ursachen hierfur oft in der Charakteristik des Anlagenzulaufes bzw. auftretender StoBbelastungen. Zum andern wird bei der Konzeption und Anordnung der relativ komplexen Rechenanlagen den betrieblichen Anforderungen vielfach nicht ausreichend Rechnung getragen. Fur Auswahl und Planung der Anlagen mussen hier verst5rkt Aspekte des spateren Anlagenbetriebs Beachtung finden. Nachstehend werden grundsatzliche konstruktive Merkmale von Rechenanlagen dargestellt, wobei betriebliche Aspekte im Vordergrund stehen. Der Versuch einer umfassenden systematischen Darstellung markttiblicher Anlagen enthalt [11.

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24

I

2 Rechenanlagen in kommunalen Klijnverken 2.2

Verfahrenstechnische Anordnung von Rechenanlagen

Den Rechenanlagen auf kommunalen Klarwerken ist in den meisten Fallen unmittelbar ein Zulaufhebewerkvorgeschaltet, mit dem das im Zulaufsammler der Klaranlage zufliegende Abwasser auf Anlagenniveau gehoben wird. Wechselwirkungen zwischen Hebewerk und Rechenanlage sind daher zu beachten: Hydradische Stoge bei der Zuschaltung von Pumpen konnen zu einer kurzzeitigen Uberlastung der Rechenanlage fiihren. Umgekehrt kann ein groger Aufstau vor den Rechen bei starker Belegung mit Rechengut gerade bei Schneckenhebewerken zu einem Riickstromen von Abwasser iiber den Sturzpunkt der Schnecken fuhren. 1st mit einem Transport von Steinen in der Kanalisation zu rechnen, so ist die Anordnung von Gerollfangen vor den Pumpwerken zu erwagen. Diese schiitzen neben den Rechenanlagen auch die Pumpwerke vor der Beaufschlagung mit grogen Steinen, die eine erhebliche Storungsquelle durch Verklemmen darstellen konnen. Die Anordnung der Rechenanlage direkt nach dem Zulauf zur Klaranlage f&rt auch dam, dass innerhalb der Rechengebaude eine wirksame Be- und Entliiftung sicherzustellen ist. Gerade bei zur Vermeidung von Geruchsemissionen gekapselten Hebewerken bzw. Einlaufbereichen kann extrem geruchsbeladene Kanalatmosphare bis in die Rechenhalle gelangen. Dabei ist auch die Gefahr, dass ziindfahige Gasgemische in die Rechenhde gelangen, nicht auszuschliegen. Neben den hygienischen Aspekten miissen daher auch die Belange des Explosionsschutzes beachtet werden (s. Abschnitt 2.8.3).

2.3

Verfahrenstechnische Anforderungen und Bemessung von Rechenanlagen

Im kommunalen Abwasser sind in erheblichem Mag nicht-geloste Inhaltsstoffe enthalten, die in der mechanischen Reinigungsstufe entfernt werden. Die Entnahme dieser Stoffe geschieht in der Regel stufenweise (Rechen/Sandfang/ggf. Vorklarung). Das Rechengut ist ein inhomogenes Stoffgemisch, bestehend vor allem aus Grobstoffen wie Textilien, Holz, Speiseresten, Kunststoffen, Scherben, Steinen, Kronkorken etc. sowie aus Hygieneartikeln und Zellstoff. Zeitweise kann auch ein erheblicher Anteil aus h u b , Grasschnitt und anderen saisonalen Fraktionen bestehen. In den der Rechenanlage nachgeschalteten Klarstufen konnen diese Stoffe zu erheblichen Storungen fiihren (Verstopfungvon Pumpen, Verzopfungen, Schwimmdeckenbildung im Faulbehalter).Schwimmfahige Stoffe konnen als Verunreinigung in allen Teilen der Klaranlage den Reinigungsauhand erhohen. Und schlieglich beeintrachtigt Rechengut im Klarschlamm die Akzeptanz f i r eine stoffliche Verwertung. Rechenanlagen sollen auf der einen Seite die moglichst weitgehende Entnahme dieser Stoffe gewahrleisten. Auf der anderen Seite sollen moglichst wenig Sand und Fakalstoffe in das Rechengut gelangen - diese werden in den der Rechenanlage nachgeschalteten Stufen zielgerichtet entfernt. Sand fiihrt in der Rechenanlage und

2.4 Betriebliche Anforderungen

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25

den zugehorigen Rechengutfordereinrichtungen zu erhohtem Verschleig, wahrend FMschlamme zu einer zudtzlichen hygienischen Belastung des Rechengutes fiihren. Der Rechengutanfd unterliegt sehr grogen zeitlichen Schwankungen und kann auch iiber das Jahr betrachtet individuell variieren. Die von IMHOFF[2] angegebene Rechengutmenge von 5 - 15 1/E . a stellt einen ersten Anhaltspunkt dar, weitere Hinweise liefern tatsachliche Betriebserfahrungen. Bei Feinstrechen unter 6 mm ist mit einem hoheren Rechengutanfall zu rechnen. Die Forderung nach einer Begrenzung der Entnahme von Sand mit dem Rechengut begrenzt auch die Entnahme feiner Rechengutbestandteile:Je feiner die Durchgangsoffnung der Rechen desto mehr Rechengut l a s t sich entnehmen. Umgekehrt verst&kt sich damit die Anlagerung von Sand an das Rechengut, was zu einem Austrag des Sands mit dem Rechengut fihrt. Auf kommunalen Klaranlagen wird man daher bei angeschlossener Mischwasserkandisation aus betrieblichen Griinden den Stababstand der Rechenanlagenicht feiner als 5 - 6 mm wtihlen, wobei das individuelle Sandaufkommen zu beriicksichtigen ist. Die hydraulische Bemessung von Rechenanlagen erfolgt bei gewatem Stababstand i. d. R. so, dass zum einen die Flieggeschwindigkeit im Bereich vor und an den Rechen nicht zu klein wird, um Sandablagerungen zu vermeiden. Zum anderen darf die Durchstromgeschwindigkeit des Abwassers am Rechenrost nicht zu grog werden, um ein Mitreigen von Rechengut moglichst zu vermeiden. Zuweilen werden zur Einhaltung dieser Randbedingungen Stauelemente in d e Gerinne hinter die Rechenanlagen eingebaut. Weitere Angaben zur hydraulischen Bemessung von Rechenanlagen enthalt DIN 19 569 (Teil 2), ferner wird verwiesen auf [l, 3-51.

2.4

Betriebliche Anforderungen Rechenanlagen sollen Rechengut moglichst zuverlassig und effizient aus dem Abwasserstrom entnehmen. Sie sind femer so auszuhhren, dass unvermeidliche Arbeiten der Wartung und Storungsbeseitigungschnell und sicher ausgefiihrt werden konnen. Letzteres bedingt eine gute Zuganglichkeitaller Wartungspunkte und den durch eine modulare Konstruktion einfach moglichen Austausch von Verschleigteilen. Grogere Rechenanlagen erreichen oft Bauhohen von 3 -4 m iiber der Gerinneoberkante, so dass fiir eine praxisgerechte Ausfiihrung der Kontroll- und Wartungsarbeiten entsprechende Bedienpodeste sinnvoll werden. Fiir die Anordnung solcher Podestanlagen sind alle planmagigen und auBerplanmaBig moglichen Arbeiten an den Maschinen zu beriicksichtigen.Aspekte der Wartung konnen je nach den ortlichen Verhdtnissen zu einem entscheidenden Auswahlkriterium fiir den Rechentyp werden. Bei der Konzeption von Rechenanlagen sollte stets gepriift werden, ob stationare Hebezeuge fur den Ausbau einzelner Maschinenteile bzw. der gesamten Rechenanlage vorzusehen sind. Dort wo hierauf verzichtet wird miissen mobile Hebeeinrichtungen wie z. B. kleine Autokrane einsetzbar sein.

26

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2 Rechenanlagen in kommunalen KIBnuerken

Besonderes Augenmerk ist auch der Kapselung der Rechenanlagen im Hinblick auf die Anforderungen des spateren Betriebes zu richten. Eine Kapselung der Rechen mit Verkleidungen fuhrt zwar auf der einen Seite zu einer Verringerung von Geruchsemissionen und damit zu besseren Arbeitsbedingungen in der Rechenhalle. Zum anderen ist aber darauf zu achten, dass die Zuganglichkeit fur Wartungsarbeiten und Storungsbeseitigungen nicht erschwert wird. Hierbei sind auch Aspekte der Arbeitssicherheit (Absturzgefahrin die Gerinne, Quetschgefahr an beweglichen Teilen) zu beachten.

2.5

Bau- und Funktionsweisevon Rechenanlagen 2.5.1

Allgemeine Crundsatze

Rechen verfugen heute i. d. R. uber eine automatische Reinigung. Diese wird gesteuert uber die Wasserspiegeldifferenz im Gerinne vor bzw. hinter dem Rechen: Bei einer Belegung des Rechenquerschnitts mit Rechengut erhoht sich der hydraulische Verlust im Rechen, so dass es zu einem groBeren Aufstau vor dem Rechen kommt. Zur Messung der Wasserspiegeldifferenz wurden friiher vor allem Anlagen mit Lufteinperlung genutzt. In jungerer Zeit haben sich beriihrungslose Ultraschallmessverfahren durchgesetzt. Zusatzlich werden vor allem Siebbandrechen vielfach zeitabhangig geraumt, damit das Rechengut nicht am Rost antrocknet. Hinsichtlich Konstruktion und Funktionsweise lassen sich Rechenanlagen nach unterschiedlichen Kriterien klassifizieren (Abb. 2.1). Von hydraulischer Bedeutung

...40 mn

...

2omn

...

5 mn ...

2. nach RILumorinzie

1-

-

1Abb. 2.1

lGegenstromechenl- [Bandfinwrechen] 3. nach Rlulmvklus

Einteilung der Rechentypen

2.5 Bou- und Funktionsweise von Rechenonlagen

ist vor allem die Einteilung in ,,Rechen mit diskontinuierlicher Raumung" und ,,Rechen mit kontinuierlicher Raumung". Bei Rechen mit diskontinuierlicher Raumung erfolgt die Reinigung des Rechenrostes durch einen mehrere Schritte umfassenden Raumvorgang. Dabei wird das Rechengut vollsmdig vom Rechenrost bis z u m Abwurf von der Rechenadage transportiert. Bei Rechen mit kontinuierlicher Raumung wird die Reinigung des Rechenrostes dagegen schrittweise, ggf. auch nur in einem Teilbereich des durchstromten Rechenquerschnitts bewerkstelligt. Der Einsatzbereich beider Verfahren richtet sich zumeist nach den Adorderungen sowie den besonderen ortlichen Verhaltnissen (ein-lmehrstufige Anlagen, hydraulisches Gefdle, stoBweiser Rechengutanfall, Gefahr von Sandablagerungen etc.). 2.5.2 Kletterrechen

Kletterrechen (Abb.2.2) zahlen zu den dtesten Bauweisen automatisch geraumter Rechenanlagen. Der Rechenrost selbst besteht aus starren, geraden Rechensaben, die geneigt angeordnet sind und fest im Gerinne installiert werden. Die Mumung des Rechengutes erfolgt durch eine Harke, die an einer Kette oder Zahnstange bis auf die Gerinnesohle herabgefahren, an den Rechenrost angelegt und dann nach oben verfahren wird. Hierbei erfolgt eine einmalige vollstandige Abraumung des Rechenrostes. Die Harken werden zulaufseitig (Mitstromrechen)oder ablaufseitig (Gegenstromrechen)angeordnet. Der Rechengutabwurf erfolgt zumeist durch einen Abstreifvorgang auf eine nachgeschaltete Rechengutfordereinrichtung. Kletterrechen haben sich als besonders robuste Maschinen bewiihrt. Im Abwasser sind keine beweglichen Teile angeordnet,was eine wartungs- und storungsarme Konstruktion ermoglicht. Es konnen auch Maschinen fur Gerinnebreiten von iiber 2 m realisiert werden. Die Einsatzgrenzen der Kletterrechen ergeben sich aus der Forderung nach weitestgehender Rechengutabscheidung durch enge Stababstiinde. Kletterrechen werden meist nur bis minimal 10 mm Stababstand realisiert. Neben der konstruktionsbedingt erforderlichen groBen Bauhohe kann sich auch das Prinzip der diskontinuierlichen Raumung als problematisch erweisen: Bei Anlagen mit zeitweilig stoBweise anfallendem Rechengut (durch Spiilvorgange in der Kanalisation) kann es wegen der begrenzten Bewegungsgeschwindigkeit der Raumharke auch bei einem Dauerlauf der Raumeinrichtung zu einer iibermagigen Belegung des Rechens und zu hieraus resultierenden Verstopfungen bzw. Betriebsstorungen kommen. Bei zeitweise starkem Sandanfall kann es insbesondere bei Mitstromkletterrechen zu Betriebsstorungen infolge von Sandablagerungenvor dem Rechen kommen, falls die Raumharke nicht mehr direkt uber die Gerinnesohle gefahren werden kann. Bei zweistufigen Rechenanlagen werden die vorgeschalteten Grobrechen (Stababstand vielfach 30-50 mm) fast ausschlieBlich als Kletterrechen ausgebildet. Bei dem hier realisierten groBen Stababstand spielen die vorstehend genannten Aspekte eine untergeordnete Rolle.

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2 Rechenanlagen in kommunalen Klanverken

Abb. 2.2

Kletterrechen (Werkfoto Fa. Geiger)

2.5 Bou-

und Funktionswcisc von Rcchcnonlogcn

2.5.3

Bogenrechen

Eine Sonderform der Kletterrechen stellen die Bogenrechen dar. Hier sind die Rechensabe bogenformig gekriimmt, die Raumharke wird entsprechend der Stabkriimmung iiber den Rechenrost gefiihrt und beschreibt dabei ein Kreissegment. Aufgrund dieser Raumbewegung kann &e Harke an einer horizontalen Welle oberhalb des Gerinnes gelagert werden. Durch die im Sohlbereich flache Neigung der Rechensabe ergibt sich ein insgesamt grogerer durchstromter Querschnitt des Rechens, was zu geringeren Verlusten fuhrt. Der Einsatzbereich von Bogenrechen liegt bei eher kleinen und mittleren Anlagengrogen. Heute ist der Bogenrechen weitgehend durch standardisierte Feinrechensysteme (s.u.) verdrangt. 2.5.4

Doppellenkerrechen

Der Doppellenkerrechenist ein vertikal montierter Stabrechen mit Mumung im Gegenstromprinzip (Abb.2.3), d. h. von der Unterwasserseite aus. Die Rechensube stehen frei im Gerinne, so dass die einfache Reahsierung einer Uberstrombarkeit mtiglich ist. Die Raumung erfolgt uber eine oberhalb des Gerinnes aufgestellteApparatur mit einem gelenkigen Gesange, welches eine horizontale Fiihrung der schaufelartig ausgefiihrten Harke ermoglicht. Die Harke greifi uber der Sohle durch die Rechen-

Abb. 2.3

Systernskizze Doppellenkerrechen (Cegenstrornrechen) [2]

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2 Rechenanlagen in kommunalen Klanverken

stabe und hebt das Rechengut senkrecht aus dem Gerinne, wobei der Rost abgestreift wird. In einer horizontalen Bewegung wird die Harke mit dem Rechengut iiber einen Querforderer gefiihrt und dort abgestreift. Der Antrieb des Gestiinges erfolgt iiber mehrere Hydraulikzylinder. Bei diesem Rechentyp wird eine sehr kompakte Bauweise moglich. Innerhalb des Gerinnes werden kaum Einbauten notwendig. Allerdings verfugt der Rechen iiber eine vergleichsweise aufivandige und storungsanfallige Antriebseinheit.

2.5.5

Stabrechen mit Handriumung

Der Vollstandigkeit halber aufgefiihrt seien handgeraumte Stabrechen, wie sie noch immer als Grobrechen in Notumlaufgerinnen eingesetzt werden. Handgeraumte Stabrechen sollten stets nur in iiberstrombarer Anordnung zum Einsatz kommen, d. h. die hydraulische Situation am Rechen muss den Einsatz eines handgeraumten Stabrechens zulassen. Auch ein als Grobrechen konzipierter Stabrechen mit einem Stababstand von 40 oder 50 mm kann sich bei entsprechendem Rechengutanfall vollstandig belegen. Besonderes Augenmerk ist bei handgeraumten Stabrechen auf die Belange der Arbeitssicherheit wahrend der Rechengutraumung zu richten. Das Rechengut ist bei diesen Anlagen manuell mittels einer Harke zu entfemen, wofur sichere Standflachen und eine Zwischenlagerungsmoglichkeitfur das abgeharkte Rechengut notwendig sind. Der Einsatzbereich von Stabrechen mit Handraumung liegt heute im Bereich von nicht planmagig beschickten Notumlaufgerinnen bei kleinen Klaranlagen. Bei grogeren Anlagen ist einer mehrstragigen Ausfiihrung der Rechenanlage der Vorzug zu geben. 2.5.6

Siebrechen

Rechenanlagen mit umlaufenden Siebflachen werden heute mit stabformigen Lamellenblocken oder aber gekanteten Lochblechen ausgefiihrt (Abb. 2.4). In beiden Fallen besteht der Rechenrost aus einem umlaufenden endlosen Siebband,welches iiber die Wasserspiegeldifferenzmessung bei Rechenbelegung um ein einstellbares Mag aus dem Abwasserstrom herausbewegt wird. Unterhalb des Wasserspiegels wird das Siebband vom hindurchstromenden Abwasser mit Rechengut belegt. Dieses Rechengut verbleibt auf dem Siebband bis zur im Bereich des oberen Wendepunktes angeordneten Abwurfeinrichtung. Siebrechen werden haufig mit sehr feinen Durchgangsoffnungen von 5 -8 mm ausgefiihrt. Hierdurch konnen auch kritische Rechengutbestandteilewie Wattestabchen oder Kronkorken recht zuverlassig abgeschieden werden. Selbst bei starkem Rechengutanfall kann durch die kontinuierliche Siebbandbewegungohne Unterbrechung ein freier Rechenquerschnitt zur Verfiigung gestellt werden, so dass ein un-

2.5 Bou- und Funktionsweise yon Rechenanlagen Abb. 2.4

Siebbandrechen (We'rkfoto Fa. Bornnet)

zulassiger Aufstau vermieden werden kann. Fur Anlagen mit einem stoBweise besonders hohen Rechengutanfall werden Siebbandrechen auch mittels polumschaltbarer Antriebsmotore mit zwei Raumgeschwindigkeiten ausgestattet, was die Rechengutaustragsleistung weiter steigert. Konstruktionsbedingterfordern Siebbandrechen eine Umlenkung des Siebbandes im Untenvasserbereich, wo durch den Angriff von Sand erhohte VerschleiBgefahren drohen. Hier werden inzwischen keine Kettenrader mehr eingesetzt, sondern die Umlenkung erfolgt direkt iiber verschleiBarme, starre Kunststoffscheiben. Diese Verschleigteile mussen regelmagig ausgewechselt werden, die Standzeit hang wesentlich vom Sandanfall im Abwasser ab.

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Das bewegliche Siebband ist gegen die starren Gerinnewande flexibel abzudichten, urn nicht einen Umlaufigkeit des Rechenrostes hinnehmen zu miissen. Hierfiir werden vielfach Kunststofiiirsten eingesetzt, die zu den Verschleigteilen zahlen, welche regelmagig auszutauschen sind. Die Austragsleistung von Siebbandrechen insbesondere bei groben, sperrigen Rechengutbestandteilen hangt ab vom Aufstellwinkeldes Rechens (zumeist GO - 80 Grad gegeniiber der Horizontalen) sowie von der Form des Siebbandes. Haufig werden an den Siebelementen harkenformige Zacken vorgesehen, die auch Storstoffe bis ca. 100 mm Grof3e austragen konnen (Kantholzer, Speisereste, etc.). GroBe Bedeutung kommt bei den Siebbandrechen der Reinigung des Siebbandes im Bereich des Rechengutabwurfes (oberer Umlenkpunkt) zu. Da das Siebband auf der Rechenriickseite wieder durch den Abwasserstrom hinunterge%hrt wird, muss das Rechengut moglichst vollstandig von den Siebelementen abgereinigt werden. Dort wo dies nicht gelingt, werden feine Bestandteile wie Toilettenpapier wieder zuriick in den Abwasserstrom gef&rt, wo sie aus den Bandelementen herausgelost und weitertransportiert werden. Bei Siebbandrechen mit Siebflachen aus gelochten Edelstahlblechen erfolgt die Abreinigung zumeist durch eine Hochdruckabspritzung uber einen oder mehrere Diisenstiicke,die im Bereich der oberen Bandumlenkung installiert sind. Bei Siebbandrechen mit Siebflachen aus vertikal angeordneten Larnellenpaketen werden zusatzlich rotierende Kunststofiursten vorgesehen, die das Rechengut ,ausbmmen". Zudem kann diese Reinigung durch die Verdrehung der Siebbandelemente gegeneinander irn Bereich der Bandumlenkung unterstiitzt werden. Die Bandabreinigung ausschlieBlich durch Abspritzung erweist sich heute bei einigen Anlagen als nur eingeschrankt wirksam. Rechengutfeinbestandteilefinden sich hier auch hinter dem Rechen im Abwasser wieder. Umgekehrt sind zusatzliche rotierende Reinigungsbiirsten oft storungs- bzw. wartungsanfillig, da sich das Rechengut in diesen Biirsten aufspinnt und diese zusetzt. WartungsmaBnahmen in diesem Bereich finden regelmagig unter besonders kritischen hygienischen Randbedingungen statt. Der Waschwasserbedarf fur die Abspritzung des Siebbandes ist erheblich und kann zum grogten Einzelverbraucher fur Brauchwasser auf der Klaranlage werden. Geeignet ist hier insbesondere der Einsatz von Ablaufwasser aus der Nachklarung. Eingesetzt wird jedoch auch Abwasser aus den Gerinnen hinter den Rechen. Wird der Einsatz von Crundwasser erwogen, so ist die Eignung hinsichtlich moglicher Ablagerungen in den Diisenstocken zu priifen. 2.5.7 Filterstufenrechen

Filterstufenrechen bestehen aus zwei ineinander verschrankten Rechenrosten aus in Ungsrichtung angeordneten profilierten Staben, von denen ein Rost eine kreisformige Pilgerschrittbewegungausfuhrt (Abb.2.5). Das Rechengut wird durch diese Bewegung vom starren Rost aufgenommen und einige Zentimeter hoher wieder auf den starren Rost abgesetzt. Die stufenformige Profilierung der Rechenrosteverhindert ein Abrutschen des Rechengutes.

2.5 Bau- und Funktionswcisc von Rcchenanlagen

Abb. 2.5

Reinigungsprinzip des Filterstufenrechens in vier Schritten (Fa. Huber)

Das Funktionsprinzip des Filterstufenrechens erfordert keine Umlenkungen oder Lagerungen im Unterwasserbereich. Der Antrieb kann einfach zuganglich oberhalb des Gerinnes installiert werden (Abb. 2.6).Wie beim Siebbandrechen hangt die Austragsleistung gegeniiber groben Rechengutbestandteilenwesentlich vom Aufstellwinkel der Adage ab. Sie wird femer begrenzt durch den stufenweisen Transport des Rechengutes aus dem Abwasser. Bei Dauerlauf der Adage ergibt sich eine deutlich geringere Austragsgeschwindigkeit als bei Siebbandrechen. Dies kann bei stofweisem Rechengutanfd zu einem erhohten Aufstau bzw. bei fllchiger Rechengutbelegung des Rostes zu einer vermehrten Adagerung und Austrag von Sand mit dem Rechengut fiihren. Durch die stiindige Bewegung der Rechenstiibe gegeneinander kann es zu einem Einklemmen von Steinen im Rechenrost kommen, was Schaden durch Verformungen des Rostes hervormfen kann. Filterstufenrechen sollten daher oberhalb des Gerinnes drehbar gelagert werden, so dass ein Ausschwenken des Rechens aus dem Gennne zum Zweck der Wartung und Reparatur mogllch ist. Dazu sind stationare Hebezeuge vorteilhafi. Durch das zwangsweise Fordem des Rechengutes bis an das Ende des Rechenrostes erfolgt ein sicheres Abstreifen des Rechengutes ohne zudtzliche Abreinigungsmafnahmen. Auf den Einsatz von Spritzwasseram Rechengutabwurfkann i. d. R. verzichtet werden. 2.5.8

Spiralsiebrechen

Fur kleine Klaranlagen mit einer Gerinnebreite bis etwa 50 cm werden vielfach Spiralsiebrechen eingesetzt. Diese bestehen aus einem Spiralforderer,der im unteren, in den Abwasserstrom eingetauchten Bereich eine Wandung aus feinem Lochblech aufweist. Innerhalb des rohrformigen Spiralforderers verlauft eine Transportschnecke, die im unteren Bereich mit aufgeschraubten Reinigungsbiirsten kontinuierlich den Siebrost abreinigt. Das Rechengut wird uber die Schnecke in den oberen Teil

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Abb. 2.6

Filterstufenrechen neuester Bauart (Fa. Hydropress)

gefordert, wo die Schnecke als Pressschnecke ausgefuhrt ist. Ausgepresstes Wasser wird in das Gerinne zuriickgefiihrt, das Rechengut wird am oberen Ende der Pressezone direkt in einen Container abgeworfen (Abb.2.7). Die kompakte Bauweise und einfache Konstruktion von Spiralsiebrechen ist fur kleine Klaranlagen ohne standige Besetzung besonders geeignet. Antriebe oder Lagerungen im Gerinne gibt es nicht. Zur einfachen Beseitigung von Storungen oder Verstopfungen konnen Spiralsiebrechen aus dem Gerinne ausschwenkbar angeordnet werden. Durch die integrierte Presszone kann eine Rechengutentnahme einschlieBlich Entwasserung mit nur einem Antrieb realisiert werden. Eine wirkungsvolle Rechengutauswaschung ist hierbei allerdings nicht moglich. Der Rechengutabwurf erfolgt daher vielfach in endlose Kunststoffsacke, um Immissionen von Geruch und Schimmelsporen aus dem Rechengut zu minimieren. Fur kleine Anlagen sind Bauweisen mit Aufstellung in einem Edelstahlbehalter verfugbar, so dass der Rechen vollstandig in einer ebenen H d e aufgestellt werden kann. Ferner gibt es Spiralsiebrechen mit einer Begleitheizung fur eine Aufstellung im Freien.

2. G Rechengutbehandlung

Abb. 2.7

Spiralsiebrechen (Werkfoto Fa. Huber)

2.6

Rechengutbehandlung 2.6.1

Rechengutpressen

Die einfachste Form der Rechengutbehandlung ist die Rechengutentwasserung mittels geeigneter Pressen. Hierbei wird der Wassergehalt im Rechengut durch mechanische Pressvorgange reduziert. Das ,Ballastwasser" im nassen Rechengut hat einen grogen Anteil an der zu entsorgenden Rechengutmasse. Dies ist kostenrelevant, zumal die Entsorgungsgebiihren zumeist nach Gewicht berechnet werden. AuBerdem sind die Geruchsemissionen aus sehr feuchtem Rechengut hoher. Die Reduzierung des Wassergehaltsdurch Pressen des Rechengutes stellt demnach ein Minimalziel der Rechengutbehandlung dar. Je nach Rechentyp und Art des Rechengutaustrags betragt der Feststoffgehalt im Rechengut ohne Entwasserung ca. 10- 15 % TR. Mit mechanischen Presswalzen lasst sich dieser Anteil hochstens verdoppeln. Schneckenpressen ermoglichen eine Erhohung des Feststoffgehaltesauf ca. 35 -40 % TR. Dariiber hinausgehende Feststoffgehalte lassen sich nur mit Hochdruck-Kolbenpressen zuverlbsig erreichen.

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Entwasserungsaggregate mit einfachen Presswalzen aus Stahl werden wegen der beschrankten Leistung kaum noch eingesetzt. Heute werden zur Rechengutentwasserung in der Regel Schneckenpressen eingesetzt. Das Rechengut wird dabei entweder direkt in den Aufgabetrichter der Pressen abgeworfen oder aber uber einen Forderer der Presse zugeleitet. In der Presse selbst wird das Rechengut uber eine Pressschnecke mit veranderlicher Steigung transportiert. Hierbei wird das Rechengut uber die Schneckenlange ansteigend komprimiert, ausgepresstes Wasser lauft uber Siebe im Pressentrog ab. Bei Spiralsiebrechen ist eine entsprechende Presszone im oberen Teil des Aggregates integriert (vgl. 2.5.8). Mit Kolbenpressen lassen sich noch hohere Driicke aufbauen und damit bessere Entwasserungsergebnisseerzielen. Allerdings steigt der technische Aufwand hierfur gegenuber einfachen Schneckenpressen stark an. Die mit hohen Entwasserungsgraden verbundene Volumenreduzierung kann vor allem bei hohen Entsorgungskosten wirtschaftlich sein. Die hohen auftretenden Krafte, das durch Sand und Steine z. T. abrassive Rechengut sowie die zumindest zeitweise Neigung zur Zopf- und Briickenbildung in den Schneckenpressen lassen einen entsprechenden Wartungsaufwand an diesen Aggregaten entstehen. Dieser ist bei der Anlagenplanung bereits zu beriicksichtigen. Es ist auf eine gute Zuganglichkeit zu achten. Hebezeuge sollten verfugbar sein. Wenn bei kleineren Anlagen nur einstraBige Losungen realisiert werden, so muss der Betriebszustand der AuBerbetriebnahme fur Wartung oder Storungsbeseitigung beriicksichtigt werden (Umfahrung, Direktabwurf des Rechengutes, Ersatzteilbevorratung). 2.6.2

RechengutwPscher

Die bloBe Volumenreduzierung durch Auspressen des Rechengutes entspricht heute nicht mehr dem Stand der Technik. Eine verbesserte Rechengutbehandlung ist durch das vorherige Auswaschen des Rechengutes moglich, wodurch vor allem Fakalien gelost bzw. entfernt werden. Dadurch werden

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die Entwasserbarkeit des Rechengutes erhoht die Feststoffmasse reduziert die Geruchsemissionen erheblich vermindert die hygienische Situation fur die weitere Rechengutentsorgung verbessert leicht-abbaubareKohlenstoff-Verbindungenin den Abwasserstrom zuriickgefuhrt, so dass sie eine Denitrifikation begiinstigen

Getrennte Rechengutwascher bestehen zumeist aus Behatern, in denen das Rechengut mit vie1 Wasser moglichst intensiv venvirbelt wird. Als Waschwasser kann Abwasser aus dem Gerinne oder aber Brauchwasser venvendet werden. Der Austrag aus dem Wascher erfolgt mit einer Forderschnecke. Bei separaten Waschern wird eine Rechengutpresse nachgeschaltet.

2.6 Rechengutbehondlung

2.6.3 Rechengutwaschpressen

Auf der technischen Basis der Rechengutpressen wurden kombinierte Aggregate entwickelt, welche die Auswaschung und Entwasserung des Rechengutes ermoglichen. Hierfiir werden im vorderen Bereich der Presswanne Waschwasserdusenangeordnet, die eine Entfernung von Fakalstoffen aus dem Rechengutes bewirken sollen. In der hinteren Presszone wird das Waschwasser wieder ausgepresst. Die Waschwasserzufiihrung in den Trog erfolgt seitlich, zum Teil auch uber die als Hohlwelle ausgef3hrte Schneckenachse (Abb. 2.8). Hinsichtlich der erzielbaren Auswaschung stellen kombinierte Rechengutwaschpressen meist einen Kompromiss dar. Eine Verbesserung der Auswaschung erzielen Aggregate mit zwei parallelen Schnecken, die synchron in einer gemeinsamen, breiten Trogwanne laufen. Ferner kann die Auswaschung durch einen getakteten Vorwarts- und Ruckwartslauf der Schnecke erhoht werden, sodass das Rechengut langer in der Waschzone verbleibt und intensiver umgeschichtet wird. Diese Adagen mussen j e d d bei hohern Rechengutadd den Vorschub erhohen konnen. Der erzielbareTrockensubstanzgehalthangt nicht nur vom Auswaschungsgrad und der Pressengeometrie ab, sondern er schwankt auch in Abhangigkeit von der Rechengutmenge und -zusammensetzung. Bei hohem Rechengutanfall muss uber einen erhohten Rechengutdurchsatz der Mehranfd verarbeitet werden. Dabei reduziert sich die Presszeit und somit das Entwasserungsergebnis. Umgekehrt kann vor allem bei Zeiten mit geringem Rechengutanfall ein hoher Sand- oder Laubanteil zu so hohen Feststoffgehalten f i r e n , dass die Presskrafte bzw. die Belastung des Motors unzulassig hoch ansteigen. Die Nennleistung des Pressenantriebs sollte daher mit

Abb. 2.8

Einstufige Rechengutwaschpresse (Fa. Egner)

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entsprechender Reserve ausgelegt werden. Die Motorlaterne und die Wellenlagerung sind entsprechend den auftretenden Kraften robust zu dimensionieren. Insgesamt kann mit Rechengutwaschpressenbei richtiger Auslegung ein Mindestfeststoffgehalt von ca. 35 % unter ungiinstigen Bedingungen realisiert werden. Bei Trockenwetter bzw. geringem bis mittlerem Rechengutanfall sind 40-45 % TR erreichbar. Wie bei den Rechengutpressen ist auch bei der Planung von Rechengutwaschpressen besonderes Augenmerk auf die Bewaltigung von Ausfallzeiten sowie die Durchfiihrung von Arbeiten fur die Wartung und Storungsbeseitigung zu richten.

2.7

Rechenguttlirderungund -abfuhr 2.7.1

Allgerneines

Die Forderung von Rechengut ist stets auf die eingesetzten Rechensysteme abzustimmen. Bei kleineren, einstragigen Rechenanlagen kann das Rechengut direkt in eine Waschpresse abgeworfen und von dort bis zum Container transportiert werden, so dass auf weitere Rechengutfordereinnchtungen verzichtet werden kann. Bei groBeren Anlagen kommen vor allem Muldengurtforderer und Forderschnecken zum Einsatz. Bei Siebbandrechen mit Bandabspritzung konnen Muldengurtforderer aufgrund des hohen Wasseranfalls nicht eingesetzt werden. Augerdem sind die Geruchsemissionen bei offenen Muldengurtforderern hoher als bei gekapselten Forderschnecken. Auf der anderen Seite sind Muldengurtforderer wartungsarm und unterliegen geringem VerschleiB. Die Auswahl des Forderertyps ist jeweils anhand der individuellen Verhaltnisse auszuwahlen. Die Konzipierung komplexer Rechengutfordereinrichtungen verlangt Erfahrung mit vergleichbaren Anlagen, da die bei dem in der Regel stark schwankenden Rechengutanfall auftretenden Belastungszustande ebenso zu beriicksichtigen sind wie die Forderung nach einer wartungsfreundlichen und gut zuganglichen Bauweise. Insbesondere an den Ubergabepunkten sollten Messeinrichtungen zur Uberwachung von Verstopfungen und Briickenbildungen installiert werden.

2.7.2

GurtRirderer

Gurtforderer werden als Muldengurtforderer vor allem zum Rechenguttransport hinter Kletterrechen eingesetzt. Seitliche Fiihrungen aus gekanteten Blechen verhindern das Abrutschen von Rechengut. Dennoch kann es je nach Abwurfhohe an der Aufgabestelle zu Verunreinigungen aui3erhalb des Bandes kommen. Das Rechengut wird auf dem Gurtforderer ,,en bloc" transportiert, die b n g e des Rechengutbergs auf dem

2.7 Rechenguforderung und -abfuhr

Band entspricht der Rechenharkenbreite. Wird das Rechengut vom Gurtforderer direkt in eine Schneckenpresse oder Waschpresse abgeworfen, so kann die stogweise Rechengutaufgabe Verzophngen um die Pressschnecke hervormfen. Gegeniiber VerschleiB oder Blockieren insbesondere bei Sand und Steinen im Rechengut sind Gurtforderer weitgehend unempfindlich. Die Forderleistung ist in Abhangigkeit von der Bandgeschwindigkeitvergleichsweise grog. Allerdings lassen sich Muldengurtforderer kaum effektiv kapseln. Muldengurtforderer konnen langenveranderlich oder bei kurzer Baulange auch drehbar gelagert ausgefiihrt werden. Damit lassen sich auch Anlagen mit variablen Abwurfpunkten realisieren. 2.7.3 Spiralfbrderer

In Verbindung mit Siebrechenanlagenwerden heute zumeist Spiralforderer fur den Rechenguttransport eingesetzt. Diese bestehen aus einem Blechtrog, in dem eine zumeist wellenlose Forderspirale lauft. Die Spirale ist im Trog selbst gelagert und lauft auf dem dort montierten SchleiBfutter, das aus abriebfestem Kunststoff oder aus eingeschweigten Edelstahllamellen besteht. Spiralforderer besitzen gegeniiber Gurtforderern den Vorteil, dass sie mittels auf den Fordertrog aufgeschraubte Abdeckbleche einfach gekapselt werden konnen. Durch die Trogform kann auch sehr nasses Rechengut transportiert werden, ohne dass Tropfwasser austritt. Bei Siebbandrechen mit Filterbandabspitzung gelangt dieses Waschwasser ebenfalls in die Fordertroge - hier werden am Abwurfpunkt meist gelochte Siebbleche zur direkten Wasserabfiihrung in den Trog eingebaut. Diese Siebe konnen durch auf die Forderspirale aufgeschraubte Biirsten kontinuierlich gereinigt werden. Zusatzlich konnen feste Spiilanschliissehelfen, Verstopfungen einfach zu beseitigen. Spiralforderer konnen auch in groger Enge gebaut werden, hierbei werden Trog und Welle aus einzelnen Elementen zusammengeflanscht. UnterschiedlicheAuslasspunkte aus einem Forderer lassen sich durch rechteckige Schieber in der Trogunterseite realisieren. Werden Spiralfordererunmittelbar hinter Rechengutpressen eingesetzt, so werden durch diesen zusatzlichen Rechenguttransportdie zylinderformigen,Presslinge" zerkleinert. Dadurch lassen sich anschliegende Container gleichmagiger befillen, der Wassergehalt im Rechengut sinkt durch Lufttrocknung weiter ab. Das gepresste Rechengut kann entweder von oben in den Spiralforderer eingeworfen werden (bei geringem Fordererdurchmesser besteht allerdings die erhohte Gefahr der Briickenbildung). Oder das Rechengut wird seitlich in den Spiralfdrderer eingepresst, wodurch eine optimale Zerkleinerung ermoglicht wird. Um Blockierungen beseitigen zu konnen sollten Spiralfordererreversierbar ausgef i r t werden. Entsprechende Ruckwartsfahrten bei Uberlastungen lassen sich in die automatischen Steuerprogramme integrieren.

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Bei Siebrechen besteht die Neigung, dass in Zeiten mit hohem Sandanfall erhebliche Sandmengen uber das Rechengut ausgetragen werden. Sand und Steine ftihren durch ihre abrassiven Eigenschaften zu erheblichem VerschleiB in nachgeschalteten Spiralforderem. Bewahrt hat sich die Ausfiihrung der Forderspirale in widerstandsfahigem HARDOX-Spezialstahl,wahrend das SchleiBfutter im Trog aus einfach auswechselbaren Kunststoffelementenbesteht. Fur den Wechsel des SchleiBfutters mussen Umfahrmoglichkeiten vorhanden sein. AuBerdem ist der Einsatz geeigneter Hebezeuge zu ermoglichen.

2.7.4

Containeranlagen

Die Sammlung des Rechengutes bis zur Abfuhr erfolgt in Containeranlagen. Diese mussen hinsichtlich ihrer Auslegung auf den Rechengutanfall abgestimmt werden. Es ist darauf zu achten, dass bei normalem Rechengutanfall wegen der rasch eintretenden Keimvermehrungund Schimmelbildung im Rechengut Containerstandzeiten von vielen Tagen vermieden werden. Gleichzeitig muss fur Zeiten mit hohem Rechengutanfall auch an Wochenenden und Feiertagen ausreichendes Speichewolumen bereit stehen. In der Regel sollte die Speicherkapazit3t bei hohem Rechengutanfall 2 - 3 Tage nicht unterschreiten. Die Palette der iiblicherweise eingesetzten Behaltnisse reicht von 240 L-MiillgefaBen uber Containermulden mit 2 - 10 m3 Inhalt bis hin zu grogen Abrollcontainern. Die Art des Rechengutcontainersist auch auf das abholende Fahrzeug abzustimmen. Bei kleinen Anlagen werden oft Standard-Miillcontainereingesetzt, die mit Rollen ausgestattet sind und so einfach von Hand bewegt werden konnen. Ferner ist eine Entleerung mit Mullfahrzeugen moglich. Um die Keimemissionen durch lange Standzeiten bei geringem Rechengutanfall zu begrenzen, kann das Rechengut am Abwurf der Presse in endlose Kunststoffschlauche gefiillt werden, die dann in den Container fallen. Containermulden konnen zum selben Zweck mit Deckeln aus Stahlblech versehen werden, die ein VerschlieBen bereits gefiillter Container bis zu deren Abholung ermoglichen. Am haufigsten werden Containermulden eingesetzt. Wenn nicht eine ausreichende Zufahrtshohe und Abwurfhohe uber dem Container zur Verfijgung steht, mussen Containermulden iiber Containerwagen in eine Position gefahren werden, in der diese vom abholenden Fahrzeug aufgenommen werden konnen. Bewahrt haben sich hierfur schienengebundene Systeme, die bei Ausstattung mit einem elektrischen Antrieb einfach iiber Fahrkontakte in definierte Positionen gebracht werden konnen. Bei mittleren und groBeren Anlagen werden meist aus mehreren Containern bestehende Anlagen vorgesehen. Hierdurch besteht eine hohere Flexibilitat gegenuber schwankendem Rechengutanfall. AuBerdem kann die Rechengutforderungbei einem Containerwechsel fortgefiihrt werden, ohne dass Rechengut auBerhalb eines Containers abgeworfen wird und anschlieBend manuell beseitigt werden muss. Allerdings werden entsprechende Verteileinrichtungennotwendig, um das Rechengutin mehrere

2.8 Hygienische und sicheheitstechnische Aspekte be; der Planung von Rechenanlagen

Container abwerfen zu konnen. Hierfiir konnen entweder entsprechend aufivandige Forderanlagen konzipiert werden, die stationare Container erreichen und fiir eine gleichmagige Befiillung sorgen. Oder aber der Rechenabwurfpunkt ist stationar bei gleichzeitig verfahrbaren Containern. Auf grogen Klaranlagen werden Containeranlagen mit einer grogen Anzahl von Containern eingesetzt,die automatischverfahren werden. Der Fiillstand im Container kann hierfh iiber Ultraschallmesseinrichtungen erfasst werden. Der Platzbedarf ftir solche Anlagen kann betrachtlich sein, zusatzlich mussen geeignete Rangierflachen fiir die LKW-Andienung vorgesehen werden.

2.8 Hygienische und sicherheitstechnische Aspekte bei der Planung von Rechenanlagen

2.8.1 Hygienische Situation

Die hygienischen Verhdtnisse auf Klaranlagen erfordern grundsatzlich die Einhaltung bestimmter Schutzmafnahmen. Dieses gilt in hohem MaBe auch fiir Rechenanlagen - hier ist der direkte Kontakt mit unterschiedlichen Inhaltsstoffen des Rohabwassers nicht auszuschliefen. Diesen schwierigen Arbeitsbedingungen kann durch verschiedene MaBnahmen Rechnung getragen werden: Kontinuierlich arbeitende Rechenanlagen wie Siebbandrechenoder Filterstufenrechen konnen weitgehend durch Blechverkleidungen gekapselt werden. Durch diese Kapselung wird allerdings die Zuganglichkeit fiu Wartung und Storungsbeseitigung eingeschrankt. Auf einfache Abnehmbarkeit ist daher zu achten. Selbstverstandlichdiirfen Aerosole von Abspritzeinrichtungen nicht aderhalb der Kapselung von Rechen oder Rechengutwaschen auftreten. Tropfkasser sollte aufgefangen und in geschlossenen Rohrleitungen in die Gerime zuriickgeleitet werden. Die regelmagige Reinigung von Rechenhallen sollte durch die bauliche Gebaudegestaltung vereinfacht werden. FuBboden und Wande lassen sich besser reinigen, wenn sie mit Fliesen bekleidet sind. Fdboden sind mit ausreichendem Gefalle und Bodeneinlaufen zu versehen. Fliesenbelage miissen hier mindestens die Rutschfestigkeitsklasse R 12 aufweisen. Auch bei gekapselten Anlagen ist eine ausreichende Be- und Entliiftung der Rechenhalle vorzusehen. Ein Richtwert hierfiir ist ein 6-facher Luftwechsel pro Stunde, wobei die Absaugung nahe der Haupt-Emissionsstellenliegen sollte. Bei Frost ist eine reduzierte Absaugung zu ermoglichen, wenn nicht ausreichende Heizenergie fiir die Zulufierwarmung zur Verfugung steht. In der Rechenhalle sollte zumindest eine einfache Waschmoglichkeit fiir das Personal vorgesehen werden.

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2.8.2 Aspekte der Arbeitssicherheit

Verschiedene Aspekte der Arbeitssicherheit sind fur die Planung und den Betrieb von Rechenanlagen zu beriicksichtigen: Rechenanlagen einschlieBlich der peripheren Anlagen sind uberwiegend automatisch anlaufende Maschinen mit hieraus resultierenden Verletzungsgefahren. Entsprechende Abdeckungen sind erforderlich,um solche Gefahrenstellen zu sichern. Storanfallige Betriebspunkte an Rechenanlagen mussen sicher zuganglich sein. Hierzu z*len beispielsweise die Reinigungsbursten bei Siebbandrechen, die insbesondere bei groBen Anlagen mehrere Meter uber dem Hallenboden liegen konnen. Gegebenenfalls sollten daher feste Bedien- und Wartungsstege angeordnet werden. Regelmagig mussen bei Rechenanlagen Einrichtungen oder Anlagenteile in den Gerinnen inspiziert und gewartet werden. Sind die Anlagen zur Emissionsbegrenzung weitgehend gekapselt, so werden oft auch die Gerinne mit begehbaren Blechabdeckungen verschlossen. Fur Arbeiten am offenen Gerinne mussen geeignete MaBnahmen zur Absturzsicherung vorgesehen werden. Besondere Gefahrenstellen bilden Containerverfahreinrichtungen.Absunde und Fahrbegrenzungen sind so zu wahlen, dass ein Abstand von 50 cm zu festen Bauteilen nicht unterschritten wird. Zusatzlich sind Kontaktleisten zur Notabschaltung sinnvoll. Werden Container auf motorisch angetriebenen Containerverfahreinrichtungen durch Tore hindurch bewegt, so sollte die Containerfahrt durch entsprechende Verriegelung nur bei geoffnetem Tor moglich sein. Sinnvoll ist eine Signalisierung von Containerfahrten durch Rundumleuchten. Ferner sollte eine Bedienung der Containenvagen nur durch sogenannte ,,Totmannschaltung" (Fahrt nur bei gedriicktem Taster) erfolgen. 2.8.3 Explosionsschutz

Rechenhallen werden als explosionsgefahrdete Bereiche eingestuft, da mit dem Abwasser Stoffe transportiert werden konnen, die leichtentziindlicheGase bilden. Dieses kann besonders bei unmittelbar vorgeschalteten Schneckenhebewerkender Fall sein. Daher ist gemaB den berufsgenossenschaftlichen Vorschriften [6] und den Explosionsschutzrichtlinien [7] eine entsprechende Zuordnung unter Beriicksichtigung der individuellen Verhdtnisse vorzunehmen: Explosionsschutz-Zone 1 (gelegentlich explosionsfahigeAtmosphare) - ggf. innerhalb der Gerinne Explosionsschutz-Zone2 (selten und dann nur kurzes Auftreten einer explosionsfahigen Atmosphare) - ggf. in der Halle

2.9 Ausschreibung von Rechenanlagen

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Elektrische Einrichtungen in diesem Bereich miissen entweder eine entsprechende Schutzklasse aufweisen, oder sie sind bei Auftreten explosionsfahiger Atmosphare elektrisch zu verriegeln bzw. stromlos zu schalten. Wegen der Vielzahl elektrischer Antriebe wird bei gr6Beren Anlagen meist ein abgestuftes Sicherheitskonzept realisiert, fur das eine Gaswarnanlage zur Uberwachung der Raumluft auf Bildung einer explosionsfahigen Atmosphare in der Rechenhalle installiert wird (vgl. auch (61).Die elektrischen Einrichtungen konnen dann unterteilt werden in

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Anlagen in explosionsgeschiitzter Ausfiihrung, die stets betriebsbereit sind (z. B. Rechen, Forderer und Wascher, Abliihngsanlagen, Notbeleuchtung), und Anlagen ohne entsprechende Schutzart, die bei Alarmierung abgeschaltet werden (Containerwagenantriebe,Torantriebe, Steckdosen und Beleuchtung, Heizanlagen)

Bei Bildung explosionsfiihiger Atmosphare in einer niedrigen, nicht-ziindftihigen Konzentration kann durch die Gas-Warnanlage ein ,,Vor-Alarm" ausgelost werden. In diesem Fall werden die Tore der Rechenhalle aufgefahren, die Liiftungsanlagen auf volle Leistung geschaltet und anschliegend werden die Stromkreise fiir die nicht-explosionsgeschiitztenAntriebe abgeschaltet. Neben der entsprechenden Auslegung der elektrischen Anlagen ist zur Vermeidung von Explosionsgefahren darauf zu achten, dass innerhalb der Gerinne bzw. gekapselter Rechenanlagen kein ungeschutztes Aluminium zum Einsatz kommt, da es hieran bei Kontakt mit Stahl zur Bildung zundffiiger Funken kommen kann

2.9 Ausschreibung von Rechenanlagen

Die Vielzahl der auf dem Markt befindlichen Systemebei Rechen, Forderern, Rechengutbehandlungseinrichtungenund Containern stellt den planenden Ingenieur vor die Aufgabe, eine fur die individuellen Verhftnisse optimale Konfiguration zu planen und so auszuschreiben, dass die wesentlichen Anforderungen von den Anbietern auch tatsachlich beriicksichtigt werden. Spatere betriebliche Schwierigkeiten sind meist entweder auf eine mangelhafte Planung oder aber auf eine ungeniigende Ausfiihrung (meist als Folge einer wenig prazisen Ausschreibung) zuriickzufihren. Bereits bei der Auswahl der in eine Adage integrierten Komponenten miissen die jeweiligen wesentlichen Randbedingungen beriicksichtigt werden. Folgende Faktoren konnen u.a. eine Roue spielen: Platzverhaltnisse (vor allem bei Umbauten) Entscheidung iiber Anzahl der StraBen (bei allen Komponenten aus Griinden der Betriebssicherheit) Hydraulische Verhdtnisse (evtl. Feinstrechen nicht moglich) Sandanfall (VerschleiB)

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StoBweise Rechengutbelastung durch Spiilvorgange im Kanalnetz (Anlagendimensionierung) Anfall an Grobstoffen (evtl. zweistufige Anlage sinnvoll) Entsorgungswege fur das Rechengut (Art der Abfuhr) Emissionssituation (evtl. vermehrte Emissionen nach Druckleitungen oder durch gewerbliche Einleitungen) Entscheidungen iiber Rechen- oder Waschersysteme sollten immer auch auf der Grundlage von Betriebserfahrungen vergleichbarer Anlagen (Referenzanlagen) getroffen werden, wobei Abweichungen bei den jeweiligen Randbedingungen der Belastung zu beachten sind. Mit der Wahl eines Systems ist meist auch eine Einschrankung des Wettbewerbs verbunden. Dieses ist jedoch VOB-Konform, wenn die Vorgaben fur die Ausschreibung Ergebnis einer vom Planer erarbeiteten technisch-wirtschaftlichenOptimierung sind. In jedem Fall sollten zusatzlich Sondervorschlage zugelassen und bewertet werden. Fur die Auslegung der Anlagen ist neben der hydraulischen Durchsatzleistung vor allem der maximale Anfall an Rechengut entscheidend. Angaben zum mittleren Rechengutanfall sowie zu den zu beriicksichtigenden Spitzenwertwerten sind in die Ausschreibung aufzunehmen. ROSENW~NKEL und SEYFRIED empfehlen, wenn keine anderen Angaben vorliegen den Durchsatz der mittleren wochentlichen Rechengutmenge in 10 Minuten zu fordern, um StoBbelastungen zu erfassen (0,16-0,20 1/E Rohrechengut) [8]. Der Nachweis der Verarbeitung der geforderten StoBbelastungl a s t sich vor Abnahme der Anlage durch einen einfachen Belastungstest fuhren: Hierzu wird eine definierte Menge an Rohrechengut uber einen bestimmten Zeitraum vor der Rechenanlage dem Abwasser zugegeben. Dieser Belastungstest sollte bereits in der Ausschreibung dargestellt werden. Wegen der in besonderem MaBe schwankenden Belastung sollte bei der Ausschreibung von Rechenanlagen darauf geachtet werden, dass nicht scheinbar giinstige Anlagen auf Kosten von Betriebssicherheit und Wartungsfreundlichkeit emchtet werden. Unverzichtbar sind solide und verwindungssteife K o n s t d o n e n , einfache Demontierbarkeit, ausreichende Revisionsoffnungen und Spulanschlusse, groBzugig dimensionierte Antriebe und Getriebe, sinnvolle Messstellen zur Anlageniibenvachung, verschleiBfeste und rostfreie Werkstoffe sowie ggf. sichere Wartungsbuhnen. Je komplexer die Gesamtanlagen im Zusammenwirken zwischen Rechen, Forderer, Rechengutwascher, Rechengutpressen und Containeranlage sind, desto wichtiger werden entsprechende Vorgaben fur die Ausschreibung. Neben den maschinenbaulichen Anforderungen sollte auch ein Pflichtenheft fur die Anlagensteuerung der Ausschreibung beigefiigt werden, welches alle wichtigen Funktionen im Zusammenwirken der Komponenten sowie Meldungen und Ferneingriffe in die Steuerung beschreibt. Um Folgekosten fur Ersatz- und VerschleiBteilebereits vor der Vergabe beriicksichtigen zu konnen sollten entsprechende VerschleiBteilsatze mit ausgeschrieben werden, z. B. fur einen Zeitraum von zwei oder fiinf Jahren entsprechend der Gewahrleistung.

2.9 Ausschreibung uon Rechenanlagen

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Literatur 1 LEWER,H.-J.,Lux, W., WIENHUSEN, A.: ATV-Handbuch Mechanische Abwasserreinigung.4. Auflage, Kapitel 3.2, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 1997. 2 IMHOFF,KARLund Klnus R.: Taschenbuch der Stadtenhviisserung. 28. Auflage, Verlag R. Oldenburg, Miinchen, Wien, 1993. 3 ATV-Arbeitsgruppe2.11.1, Korrespondenz Abwasser, Heft 2 (1984), S. 125-136. G., HOFF,S.: Korrespondenz Abwasser, Heft 10 (1999), S. 1607-1610. 4 F~RSTER, 5 DIN 19 554 Ted 1: KBranlage, Rechenbauwrke mit geradem Rechen, HauptmaJe DIN 19 554 Teil 2: Kliiranlage, Rechenbauwerkc mit Bogenrechen. HauptmaJe DIN 19 554Teil3: Kliiranlage, Rechenbauwrke mit geradem Rechen,Gegenstromrechen,Hauptmaje DIN 19 569 Teil 1: Kliiranlage, Baugrundsiitzefirr Bauwrke und technische Ausriistungen, AUgemeine Baugrundslitze DIN 19 569 Teil2: Kliiranlage, Baugrundsatzefiir Bauwerke und technische Ausriistungen, Besondere Baugrundsiitze f i r Einrichtungen z u m Abtrennen und Eindicken von Feststoffm. 6 BerufsgenossenschaftlicheVorschriften. BGV C5 - AbwassertechnischeAnlagen. 7 Fkplosionsschutzrichtlinie (EX-RL). 8 K.-H. Rosenwinkel, C. F. Seyfried, Mechanische Vorreinigung - Rechen, Sandfang, Vorkliirung, ATV Fortbildungskurs I/2, Fulda 1997.

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Pumpen in abwassertechnischen Verfghren und Anlagen Dieter-Heinz Hellrnann

3.1 Einleitung

Im allgemeinen werden Kreiselpumpen in abwassertechnischen Anlagen mit dem Ziel eingesetzt, ,,...die Wirtschaftlichkeit eines Entwasserungssystems..." gegenuber einem mit freiem Gefiille zu ,,...verbessern ..." [l].Grundsatzlich wird als sogenannte Fordersicherheit nicht nur fur Kreiselpumpen sondern auch f i r abwassertechnische Anlagen insgesamt gefordert, dass sie ,zum Schutz der Gewasser vor Verunreinigung und zur Sicherung der Ortshygiene eine hohe Verfugbarkeit haben". An anderer Stelle der ATV-DVWK-A 134 [l]ist definiert, dass sie folgende Grundanforderungen erftillen mussen: ,,automatischerstorungsarmer Betrieb, bei dem die unhygienischen und gefhrlichen Wartungsarbeiten auf ein Minimum beschrankt bleiben". "Kostenreduzierungen sind moglich. Sie durfen aber nicht zu Lasten der Umwelt gehen". Die GroBe des tiiglichen Abwasserzuflusses, die Ganglinie, bestimmt den jeweils einer Pumpe zugefiihrten Anteil des zu fordernden Abwassers (Forderstrom Q) bei der dabei in der abwassertechnischen Anlage zu uberwindenden Forderhohe H = HA, d. h. der zu uberwindenden Summe aus geodatischer Hohendifferenz Az, Druckhohendifferenz Applpg, Geschwindigkeitshohendifferenz Ac2/2g und Druckverlusthohe Apv/@gzwischen Ein- und Austritt der Anlage. Die richtige Auswahl einer Pumpe hangt jedoch nicht nur von der genauen Kenntnis von Forderstrom und Forderhohe ab, sondern, da auch die Fordersicherheit/Verfugbarkeitvon besonderer Bedeutung ist, u. U. auch von der Mitforderfhigkeit von Fasern und Feststoffen (einschlieBlich Fette), d. h. von der Eigenschaft nicht zu verstopfenlzu verzopfen undloder unzulassig zu verschleiBen der Anderung des Wirkungsgrads bei sich andernder kinematischer Viskositat der Mitfdrderfahigkeit von ungelosten Gasen und der Eigenschafi ,,schonend" zu fordern

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3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

Da in der Abwassertechnik bei der Auswahl von Kreiselpumpen die nachstehend genannten Belastungen und Anforderungen auch in Zukunft besonders beriicksichtigt werden miissen, sol1 darauf besonders eingegangen werden:

Wassersparmahahmen, grogere Schmutzfrachten (Feststoffgehaltl Viskositat) ,,Fordersicherheitschafft Entsorgungssicherheit"(Verfugbarkeit)unter besonderer Beriicksichtigung von Kapital- und Betriebskosten (Energie-und Instandhaltungskosten) Das Verhdtnis aus dem Forderstrom Q und der Forderhohe einer Pumpe H = HPumpe = A(p/pg) A(c2/2g) ( A z )stelltinFormderspezifischenDrehzahl nq:

+

+

das deutlichste Auswahlkriterium zwischen den verschiedenen Pumpenbauarten dar. Bei Forderaufgaben mit im Verhaltnis zur Forderhohe H kleinen Forderstromen Q ( nq < 10)werden im allgemeinen Verdrangerpumpen,bei im Verhaltnis zur Forderhohe H grogen Forderstromen Q (nq 2 10) im allgemeinen Kreiselpumpen eingesetzt. Grundsatzlich unterscheiden sich Kreiselpumpen von Verdrangerpumpen dadurch, dass in Kreiselpumpen die kinetische und die Druckenergie einer Fliissigkeit dadurch erhoht wird, dass die zu fordernde Fliissigkeitvon dazu ausgelegten mit dem Laufrad rotierenden Schaufeln kontinuierlich verdrangt wird und dabei die Schaufeln kontinuierlich umstromt bzw. die von den Schaufeln gebildeten Schaufelkanale kontinuierlich durchstromt werden in Verdrangerpumpen Fliissigkeit in einem geometrisch definierten Arbeitsraum auf der Saugseite der Pumpe eingeschlossen, das eingeschlossene Fliissigkeitsvolumen - konzeptionell ohne zu stromen, als Teil des Arbeitsraums - mit oder ohne Druckerhohung zur Druckseite transportiert und dann auf der Pumpendruckseite, mit oder ohne Druckerhohung durch Druckausgleich, auf die Forderung bezogen mehr oder weniger pulsierend, ausgeschoben wird. Mit Hilfe der ,,spezifischen Drehzahl" kann auf einfache Art und Weise, u. U. als sogenannte ,,Nullte Liisung", die optimale Bauart der Pumpe festgelegt werden. Werden bei gleicher Forderaufgabe, d. h. bei gleichem Q und H der Anlage, Varianten der Pumpenbauart diskutiert, erfolgt dies - der spezifischen Drehzahl entsprechend durch Variation der Antriebsdrehzahl und/oder Aufteilung des Forderstromes Q auf parallelgeschaltete Pumpen und/oder Aufteilung der Forderhohe H auf hintereinandergeschaltete Pumpen oder Pumpenstufen. Dabei andert sich mit der Pumpenbauart die Anzahl der zur Realisierung der Forderaufgabe erforderlichen Pumpen und deren Steuerung (Investitionskosten)und der mit der jeweiligen Pumpenbauart maximal erreichbare Wirkungsgrad (Betriebskosten),wobei spatestens an dieser Stel-

3.2 Abwassertechnische Anlagen (aus Purnpensicht)

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le die Stoffeigenschaften und der Zustand der Forderflussigkeit zu beriicksichtigen sind. Spatestens hier also mussen die Forderaufgaben in abwassertechnischen Anlagen, z. B. dem abwassertechnischen Prozess folgend, fiir den Abwassertransport zur Klaranlage und fur den Abwassertransport durch die Klaanlage, d. h. durch die mechanische Reinigungsstufe (Einlaufpumpwerk,Sandfang, Fettfang, Vorklarung, Zwischenhebewerk) und durch die biologische Reinigungsstufe (Belebung, Nachklarung), unter Einbeziehung des Schlammtransports (Voreindicker, Faulbehalter, Nacheindicker, Schlammentwasserung) definiert werden. Nur wenn die Stoffeigenschaften und der Zustand der Forderflussigkeit bekannt sind, konnen die Betriebskosten aus der Summe der Energiekosten (erreichbarer Wirkungsgrad) und der Instandhaltungskosten berechnet werden. Zusatzlich zu den schon genannten Investitionskosten sind im Sinne der Lebenszykluskostenvon Pumpen auch die Kosten der Fordersicherheit, d. h. die Kosten zur Sicherstellung des Abwassertransportes (Produktionsausfall- bzw. Produktionssicherungskosten), z. B. durch Redundanz von Pumpen, zu beriicksichtigen. Die folgenden Begriffe, die ein Risiko ftir die Fordersicherheit darstellen, beschreiben die oben genannten Stoffeigenschaften und den Zustand der Forderflussigkeit: 0

0

0

0

0

Viskositlit: Forderfaigkeit bei hoher viskosen Flussigkeiten wie Schlammen und Dickstoffen (Motoriiberlastungusw.) Feststoffe, Fette, Fasem: Mitforderfahigkeit von groben Feststoffen, Fetten undloder faserigen Materialien (Blockade, Reduktion der Forderleistung, Motoriiberlastung, Schwingungen) ungeloste Case: Mitforderfahigkeitvon freien Gasen ("AbreiBen"des Forderstroms, Schwingungen usw.) schonende Forderung Mitforderfaigkeit von z. B. ,Flockungsmitteln" Widerstandsfiihigkeit gegenuber Erosion, Korroswn und Kavitation, Einsetzbarkeit bei toxischen undloder explosiven Gemischen

3.2

Abwassertechnixhe Anlagen (aus Purnpensicht) 3.2.1

Anlagenkennlinie

Auf das grog, Ziel, die Kapital- und Betriebskosten (Energie-und Instandhaltungskosten) bei gleicher oder hoherer Verfiigbarkeit (Fordersicherheit) zu reduzieren, wurde einleitend schon hingewiesen. Reduktionspotentialbesteht z. B. bei den Energie- und Instandhaltungskosten dadurch, dass Pumpen ftir ihren Betriebspunkt besten Wirkungsgrades ausgesucht und dort auch betrieben werden. Griinde dagegen, wie z. B. die Sicherheit vor Verstopfung/Verzopfung mussen natiirlich beachtet d. h. ausgeschlossen werden konnen. Unabhangigvon Art und Typ einer Anlage muss zur Bestimmung des Arbeitspunktes einer Pumpe in einer Anlage zunachst die vom Forderstrom abhangige Energie-

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3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

bilanz des Prozesses in der Anlage, die Anlagenkennlinie, bekannt sein. Ausgehend von den auf die Masse bezogenen Energien (spezifischeEnergien),potentielle Energie gz,Druckenergie p / p und kinetische Energie c2/2, folgt die zur Verfiigung stehende Energie am Eintritt der Anlage zu p,/p + c : / 2 + gz, und die zur Realisierung des Prozesses, fur den Erfolg des Prozesses erforderliche Energie am Austritt der Anlage zu p 2 / p + ci/2 + gz2. wenn inkompressible Zustandsanderung p, = p2 = p vorausgesetzt wird. Zusatzlich dam ist der zwischen Ein- und Austritt nicht zu vermeidende Gesamtdruckverlust(Aplp), zu ermitteln, der sich aus dem Stromungswiderstand der Rohrleitungen (Rohrreibung) und dem Stromungswiderstand der ,,anderen" Anlagenkomponenten zusammensetzt. Soll nur die geodatische Hohendifferenz (z2 - z,) zwischen zwei Behaltern iiberwunden werden (Abb. 3.1), d. h. ist die statische Druckdifferenz zwischen den beiden Behaltern (p2 = p, = po, p2 - p1 = 0) ebenso wie die Differenz der kinetischen Energien [(ci - c:)/2 = 01 Null und der Druckverlust zwischen den beiden Behdtern vernachlassigbar klein ( A P , , ~ , ~ / ~0), dann ist diesem System die spezifische Energiedifferenz g (z2 - zl) = gAz zuzufduen, damit die Hohendifferenz iibenvunden werden kann. Steigt z.B. der Pegel im Behalter 1 an, dann wiirde die zuzufuhrende spezifische Energie gAz entsprechend kleiner. Wird, wie in Abb. 3.2 dargestellt, gegen den statischen Druck p 2 im Behalter 2 gefordert und ist dabei die geodatische Hohendifferenz (z2- z, = 0) und die Differenz der kinetischen Energien (cz/2 - c : / 2 = 0) Null und der Druckverlust vernachlassigbar klein ( A P , , ~ , ~ / ~0). dann muss diesem System die spezifische Energiedifferenz: p 2 - p1/ p = Ap/p zugefiihrt werden, damit das Fordern gegen den Druck p 2 erfolgen kann. Soll Fordermedium vom Behalter 1 in den Behalter 2 (Abb. 3.3), ohne geodatische Hohendifferenz (z2- z1 = 0), ohne statische Druckdifferenz (p2 - p , = 0) und ohne Differenz der kinetischen Energien (ci/2 - c : / 2 = 0), gefordert werden, dann muss der aus der Forderung resultierende Druckverlust AP,,~,~durch die entsprechende Zufuhr von spezifischer Energie Apvl,z/piibenvunden werden. N

-

-Q

-Q

L1I

Abb. 3.1

I -

Geodatische Hohe iibenvinden

z,

-

3.2 Abwassertechnische Anlagen (aus Pumpensicht)

Po A

Q -

Abb. 3.2

Statischen Cegendruck ubetwinden

Der Gesamtdruckverlust einer Anlage (Abb.3.4) lasst sich immer aus dem Druckverlust in Rohrleitungen - mit der Rohrreibungszahl I - und dem Druckverlust von Einbauten in Rohrleitungen (Anlagenkompnenten) - mit dem Widerstandsbeiwert[ - darstellen. Einbauten in Rohrleitungen sind z. B. Querschnittsanderungen, Kriimmer, Abzweigungen, Armaturen. Die RohrreibungszahlI , bzw. der Rohrreibungsbeiwert I l / d , und der Widerstandsbeiwert[ sind so definiert, dass durch Multiplikation mit der kinetischen Energie c 2 / 2 der spezifische Druckverlust Apv/p berechnet wird, wobei I und [ von der sogenannten Reynoldszahl Re = c d / v mehr oder weniger abhangen. Die GroBe der Reynoldszahl ist ein Mag fur den Einfluss, den die Reibung in einer Stromung auf die Stromunghaben kann. So andert sich die Rohrreibungszahl I bei glatten Rohrleitungen grundsatzlich mit der Reynoldszahl, in den voneinander abgrenzbaren Reynoldszahl-Bereichender laminaren bzw. der turbulenten Stromungen jedoch nach unterschiedlichen Gesetzen, wobei bei turbulenten Stromungen

Abb. 3.3

Druckverlust ubetwinden

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3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

IN GERADEN ROHRLEITUNGEN ApJp = (M/d)c2/2

l. = Rohrreibungszahi

I DURCH GERADE ROHRLEITUNGEN UND DURCH EINBAUTEN

DURCH EiNBAUTEN ApJp

k Abb. 3.4

= hc2/2

Widerstandsbeiwert

. I

Cesamtdruckverlust

noch zwischen glatten und rauen Rohrleitungen zu unterscheiden ist. Betrachtet man den Widerstandsbeiwert [, dann beschreibt dieser den Druckverlust von Anlageneinbauten (-komponenten),die wenig Ahnlichkeit mit Rohrleitungen haben und bei denen der Druckverlust nur von der Geometrie der Stromungsbegrenzungabhangt, da Wandreibungseinfliisse (Reynoldszahl-Einfliisse),wie sie im Gegensatz dazu bei der Stromung in Rohrleitungen auftreten, von untergeordneter Bedeutung sind. Die Widerstandsbeiwerte von Anlageneinbauten sind in den Hand- und khrbiichern der Stromungsmechanik und in den Katalogen der Anlagenkomponentenherstellerdokumentiert. Die Energiebilanz zwischen Ein- und Austritt der Adage kann bei stationarer inkompressibler Zustandsanderung (slat = 0, p 1 = p 2 = p ) aus der Differenz der Druckenergien: p 2 / p 2 - p l / p I = (p2 - p l ) / p aus der Differenz der kinetischen Energien: (c:/2 - ct/2) bzw. unter Beriicksichtigung der KontinuitatsgleichungQ = c2A2 = cIA1,d. h. c2 = Q/A2, c1 = Q/Al in der Form: (c:/2 - ct/2) = [(l- A:/Ai)Q2/2A:] und schlieBlich aus der zur Uberwindung des Gesamtdruckverlustes erforderlichen Energie: ( A P / P ) , ~=, ~ic:/2 = iQ2/2A: als sogenannte Anlagenkennlinie in allgemeiner Form dargestellt werden:

3.2 Abwossertechnischc Anlogen (ous Pumpensicht}

In Abb. 3.5 ist die Abhangigkeit der zur Verfiigung zu stellenden spezifischen Energie HA vom Forderstrom Q, d.h. die Adagenkennlinie HA = HA(Q)dargestellt.

HAist die der Adage zur VeAgung zu stellende Energie. Sie ist dem Fordermedium in der Adage zuzufiihren, damit der angestrebte Prozess mit dem Forderstrom Q uberhaupt realisiert werden kann. Pumpen, die in die Adage - als Teil der Adage - integriert werden, ubernehmen die Aufgabe, die Energie des Fordermediums um HA = HA(Q) zu erhohen. Wiirde die EnergiebilanzgleichungHA = 0 ergeben, ware die Energie am Eintritt in die Adage grog genug, um die Energie am Austritt der Adage und den Gesamtdruckverlustzwischen Ein- und Austritt der Adage bereitzustellen, d. h. es ware keine zusatzliche Energie in das Fordermedium mit Hilfe einer Pumpe zu transformieren. Da sich beim Betrieb einer Anlage die geodatische Hohendifferenz (z2 - zl)z. B. durch Andern des Pegelstandes, die Druckhohendifferenz (p2 - pl)/pg z. B. durch Einspeisung in unterschiedliche Druckleitungen und/oder auch die Druckverlusthohe (Ap/eg),,,2 z. B. in Abhangigkeit der Viskosit2t der Forderflussigkeit andem kann, ist eine Anlage im allgemeinen nicht nur rnit Hilfe einer einzigen Anlagenkennlinie zu beschreiben. Sie ist vielmehr, zusammen mit dem geplanten bzw. durch Regelwerke (z. B. ATV) vorgegebenen maximal zu erwartenden (&=) und an dem andedurch ren Ende der Forderstromskala minimal zu erwartenden Forderstrom (Gin), ein ganzes Kennfeld von moglichen Betriebspunkten der Adage darzustellen. In einem fur die Pumpe und die Adage gemeinsamen Q-Diagramm stellt der Schnittpunkt der Pumpen- mit der ,,aktuellen" Anlagenkennlinie den Arbeitspunkt der Pumpe dar (Abb. 3.6). Wie in Abschnitt 3.4 fur Kreiselpumpen dargestelltwird, fallt der Gesamtwirkungsgrad q = pgQH/P, (Verhaltnis aus Nutzleistung PN = pgQH und aufgenommener Leistung Pw)vom Auslegungspunkt der Pumpe mit qopt Hopt)nach Teillast

(apt,

QllP

Abb. 3.5 Anlagenkennlinie

Qmu

Q

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3 Pumpen in abwassertechnischen Vefahren und Anlagen

tH

Abb. 3.6 Kennfeld moglicher Betriebspunkte

und nach Uberlast hin bei konstanter Drehzahl auf Null ab, so dass es (ohne Regelung der Pumpe) nur einen Punkt besten Pumpenwirkungsgrades im Anlagenkennfeld geben kann. Damit ist bei der Betrachtung der Energiekosten insbesondere der Arbeitspunkt der Pumpe als Schnittpunkt mit der ,,aktuellen" Anlagenkennlinie und damit die Auswahl der Pumpe von grof3er Bedeutung. Da ein Betrieb der Pumpe bei starker Teillast bzw. bei starker Uberlast uber langere Zeit - in Verbindung mit den ZustandsgroBen (Kavitation usw.) und den Stoffeigenschaften der Forderfliissigkeit (Feststoffgehaltusw.) - auch zum Ausfall der Pumpe fiihren kann, ist auch im Hinblick auf die Instandhaltungskosten ein Pumpenbetrieb in der Nahe des besten Wirkungsgrades anzustreben. Grundsatzlich besteht die Moglichkeit, Kreisel-und Verdrangerpumpenan veranderte Betriebsverhdtnisse anzupassen. Dam kann entweder in die Adage (Drosselregelung, Bypassregdung) oder in die Pumpe (Drehzahlregelung, Laufad ,,abdrehn" bzw. HubversteUung) eingegriffen werden (s.a. Abschnitte 3.3.8 und 3.4.7 sowie Kapitel 16). Sol1die Drehzahlder P u m p verandertwerden, kann zwischeneiner Drehzahlregelungmit Hilfe eines Frequenzumrichtersoder einer Drehzahlanpassung mit Hilfe der Scheiben eines Keilriemenantrieks gew2hlt werden. Die erforderliche Flexibilitat und die Entwiddung einerabwassertechnischenAdage beziiglichihrer Forderaufgabe,fiir z. B. dienachsten 30 Jahre, muss an dieser Stelle definiert werden. Wenn die Flexibilitlit eine besondere Bedeutungbekommt,z. B. durch unvermeidbarehaufige Anderungender Anlagenkennlinie infolge sich andernder Viskositliten (Druckverlusthohe),Anderungen der geodatischen (Pegelstand) oder der Druckhohe (Einspeisungin unterschiedliche Druckleitungen) undloder als Mdnahme gegen zeitweise erhohte Verstopfungsgefahrbnv. gegen zeitweise erhohte Gefahr der Anfaulung usw., wird die Drehzahlregelung von Pumpen

3.2 Abwassertcchnische Anlagen (aus Pumpensicht)

mit Hilfe von Frequenzumrichtem - sowohl die Verfugbarkeit als auch die Energie- und Instandhaltungskostenbetreffend - die bessere Lijsung sein. Die kinematische Viskositat v [m2/s]der Forderflussigkeit beeinflusst sowohl den Druckverlust der Anlage als auch den Wirkungsgrad der Pumpe. Damit ist sie nach dem vorher Gesagten zur Bestimmung der Anlagenkennlinie und damit zur Vorhersage des Arbeitspunktes der Pumpe aber auch fiir den mit der Pumpe im Arbeitspunkt erreichbaren Wirkungsgrad von Bedeutung. Sowohl die Energiekosten als auch die Produktionssicherungs- und Instandhaltungskosten, z. B. durch das Nichterreichen des maximalen Forderstroms oder durch den Ausfall von Antriebsmotoren bei deren Uberlastung, werden durch die Viskosi~tmitbestimmt. Die Viskosiut einer Flussigkeit ist von dem Zusammenhang zwischen der Schubspannung t und der Schergeschwindigkeit (du/dr) in einer Flussigkeit abhangig. Es werden drei Klassen von Flussigkeiten unterschieden: 1. sogenannte zahe oder reinviskose Flussigkeiten, bei denen die Schubspannung

nur von der Schergeschwindigkeit abhangt 2. Fliissigkeiten, bei denen die Schubspannung nicht nur von der momentanen Schergeschwindigkeit sondern auch von den Schergeschwindigkeiten zu allen friiheren Zeiten abhangt, zeitabhangige Fliissigkeiten 3. Flussigkeiten, die auger viskosem auch elastisches Verhalten zeigen, z.B. beim Entlasten aus der scherenden Beanspruchung, wird ein Teil der Deformation aus der scherenden Beanspruchung auf die urspriingliche Deformation zuriickfedem (viskoelastische Flussigkeiten). Im Zusammenhang mit abwassertechnischenAnlagen sollen hier nur die sogenannten reinviskosen Flussigkeiten betrachtet werden. Stellt sich eine reinviskose Flussigkeit in einem t-(du/dr)-Diagramm (Abb.3.7) als konvexe Kurve durch den Ursprung dar, d. h. nimmt die Steigungmit wachsender Schergeschwindigkeitab, so nennt man die Flussigkeit strukturviskos (bzw. pseudoplastisch). Dilatant nennt man eine Flussigkeit, wenn sie durch eine konkave Kurve durch den Ursprung beschrieben wird, d. h. wenn die Steigung mit wachsender Schergeschwindigkeit zunimmt. Sogenannte Newtonsche Flussigkeiten liegen vor, wenn sich die Schubspannung linear mit der Schergeschwindigkeit andert. Die Schubspannung t kann fiir strukturviskose, dilatante und Newtonsche Flussigkeiten durch den Ansatz t = K (duldr)" beschrieben werden, mit dem Konsistenzfaktor K [N/sm2]und dem FlieBexponenten n [ -1. Bei den Newtonschen Flussigkeiten ist der FlieBexponent n = 1 und der Konsistenzfaktor K = 7 = const. Weiterhin gibt es viskose Flussigkeiten, die die t-Achse bei einem endlichen Wert, der sogenannten FlieBspannung q,, schneiden (Binghamsche Flussigkeiten).Die angelegte Schubspannung muss einen endlichen Wert haben, bevor es iiberhaupt zu einem FlieBen kommt. Das FlieBen wiederum kann dann strukturviskos oder dilatant oder wie bei einer Newtonschen Flussigkeit linear mit der Schergeschwindigkeit erfolgen: t = to+ K(du/dr)".

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3 Pumpen in abwassertechnischen Vefahren und Anlagen

\ \ SPANNUNG Z

.............

BINGHAM

ZEITABHANGIG

..STRUKTUR-

FL~SSIGKEITEN

1 FLUSSIGKEITEN

DEFORYATlONSGESCHWHDlGKElT du/dr

Abb. 3.7

Reinviskose Flussigkeiten

Mit Hilfe des Konsistenzfaktors K [N/sm2]und dem FlieBexponenten n [ -1 kann der Druckverlust in Rohrleitungen entsprechend des Grundansatzes der Stromungslehre: Apv/p = 1(l/d)cz/2 0

0

fur Newtonsche Flussigkeiten mit 1 = 1(Re), Re = p&/q und q = const. (K = q, n = 1) fur Nicht-Newtonsche reinviskose Flussigkeiten bei laminarer Stromung rnit 1= 8 [(Gn+ 2)/n]" Re,' und bei turbulenter Stromung rnit A-1/2 = 2n-'*' log(Re,1'-"/2) - 0,8n

berechnet werden, wobei die Reynolds-Zahlwie folgt definiert ist: Re,, = pd" cZ-"/K. Mit Hilfe der angegebenen Beziehungen wird der Druckverlust in Rohrleitungen fur Nicht-Newtonsche reinviskose Flussigkeiten (Apv/p = I(l/d) c2/2) iterativ berechnet. Die Schubspannung wird zum einen aus dem experimentell ermittelten Zusammenhang z = z (duldr) bestimmt und zum anderen aus der Gleichung fLir das Kraftegleichgewicht zwischen Druck- und Reibungskraften bei Rohrstromungen T = (d/4)Ap/l= 1pc2/2 mit 1= 1(n, K ) berechnet bis die Werte fur die Schubspannung mit guter Naherung ubereinstimmen. Die Beschreibung einer Flussigkeit bezuglich ihrer Viskositat erfolgt also auf der Basis ihres z-(du/dr)-verhaltens, das mit Hilfe eines Rotationsviskosimeters bestimmt werden kann. Viele industrielle Schlamme zeigen strukturviskoses (pseudoplastisches) Verhalten auf oder auch Newtonsches Verhalten nach dem Uberwinden einer Fliegspannung.

3.2 Abwassertechnische Anlagen (aus Pumpensicht)

Dem Arbeitsprinzip von Kreiselpumpen entsprechend ,...die von den Schaufeln gebildeten Schaufelkanale werden kontinuierlich durchstromt...", ist eine starke Abhangigkeit der Forderhohe H und des Wirkungsgrades 7 von der Viskosiat zu erwarten. In Abb. 3.8 sind die heute ublichen Grenzen eines wirtschaftlichen Pumpenbetriebes in Abhangigkeit von der Viskosiat dargestellt. Danach sollte fiir Viskosiaten v > 250 mmz/s (1 cSt = 1 mm2/s), wenn nicht andere als wirtschaftliche Griinde vorliegen (v < 1000 mm2/s technisch realisierbar), die Forderaufgabe nicht mehr von Kreiselpumpen sondern von Verdrangerpumpen ubernommen werden. Da der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad von Kreiselpumpen nicht nur von der Viskosiut, sondern auch vom Forderstrom Q und der spezifischen Drehzahl nq abhangt, muss bei einer Gegenuberstellung der Wirkungsgrade von Kreisel- und Verdrangerpumpen dies auch beriicksichtigt werden (Abb.3.9).Die in der Literatur bekannten Tabellen oder Nomogramme (z. B. Hydraulic Institut) ZW Umrechnung der Pumpenleistungsdaten (Q, H, 7)von Wasser aufviskose Flussigkeiten gelten im allgemeinen nur fur rein Newtonsche Flussigkeiten, d. h. sie sind nicht in jedem Fall auf Kreiselpumpen in abwassertechnischen Anlagen ubertragbar. Den Abschnitt 3.2.1 erganzend seien abschliegend Hinweise aus dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 134,Abschnitt 2.7 [l] zitiert: ,Die untere Grenze der Stromungsgeschwindigkeitsollte zwischen 0,sm/s bei groBerer und 1,0m/s bei geringerer aglicher Gesamtforderzeit der angesdossenen Pumpstationen liegen. Abhangig von der Abwasserzusammensetzung muss bei langen Stillstandszeiten eine hohere Stromungsgeschwindigkeitgewtihlt werden. Eine zu geringe Stromungsgeschwindigkeitf i r t zu Ablagerungen und damit zu Querschnittsverminderungen,so dass die Verstopfungsgefahr zunimmt."

kinematische Viakositat

rotierende Verdrangerpumpe 10 000

21500

oszillierende Verdrangerpumpe 1 000

KreiselKanal- und Freistrompumpen technisch realisierbare, wirtschaftliche Einsatzgrenze klassischer Kreiselpumpen

Abb. 3.8 Viskositatsabhangige Einsatzgrenzen von Pumpen

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-

3 Pumpen in abwassertechnischen VetjGahren und Anlagen

ng = n Ql.1 HW4

--0.7

-- 0.6 -- 0.5 --

, ;

PUMPENBAUARTEN

rotierende Verdrangerpumpen

4

.I

Seitenkanalpumpen

--

25 I 6

I

nq

-PI 1

I

I

,,Fur eine Leitungslange bis ca. 500 m sollten folgende Geschwindigkeiten nicht uberschritten werden: lichte Weite [mm]:

80

100

150

200

StromungsgeschwindigkeitengroBer 2,s m/s sollten vermieden werden. Bei Leitungen von mehr als 500 m Enge sind entsprechend geringere Geschwindigkeiten zur Vermeidung von unzulassigen DruckstoRen z. B. bei Pumpenausfall zu bevorzugen. DruckstoBuntersuchungen sollten vorgenommen werden."

3.2.2 Einbauott der Pumpe 3.2.2.1

Kavitation

Da die Pumpe in die Anlage zu integrieren ist, ist der Einbauort der Pumpe in der Anlage festzulegen. Die Diskussion des Einbauortes verlangt u. a. die Kenntnis des am Pumpeneintritt von der Anlage zur Verfugung gestellten statischen Drucks und insbesondere den Abstand dieses Drucks von dem von der Temperatur der Flussigkeit abhangigen Dampfdruck. Die Dampfdruckkurve (Abb.3.10) einer Flussigkeit liefert die Verknupfung zwischen den Wertepaaren von Druck und Temperatur, bei denen die flussige Phase und die Dampfphase der Flussigkeit nebeneinander existieren konnen. Bei der sogenannten Kavitation fallt der statische Druck bei nahezu konstanter Temperatur, im Gegensatz zum Siedevorgang, auf den Dampfdruck der Fliissigkeit ab, d. h. es entsteht Dampf, der dann, der Definition von Kavitation entsprechend, im weiteren Verlauf der Stromung mit einem wieder uber den Dampfdruck ansteigenden Druck kondensiert (Ruckkondensation). Das Absinken des statischen Drucks kann nicht nur durch die schon genannten Druckverluste in einer Anlage erfolgen, sondern z. B. auch durch Querschnittsver-

3.2 Abwassertechnische Anlagen (aus Pumpensicht)

500 100

10

1

0.1

0.01

0.001 -50 Abb. 3.10

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Darnpfdruckkurve von Wasser

sperrungen, wie in Abb. 3.11 f i r eine Venturiduse beispielhaft dargestellt ist. Engs der Venturiduse stellt sich der in Abb. 3.11 dargestellte Druckverlauf ein. Der Druck f a t zunachst bis zum engsten Querschnitt Amin mit Zunahme der Geschwindigkeit ab und steigt danach mit Abnahme der Geschwindigkeit wieder an, ohne, wegen der auch hier vorhandenen Druckverluste, den ursprihgiichen Wert zu erreichen. Der Kleinstwert pmin des Druckes in der Venhuiduse hangt von dem Druck ps und der Geschwindigkeit cs stromaufwarts von der Einschniirung sowie von der Diisengeometrie, insbesondere dem Flachenverhaltnis h i n / A Sab. Die Darstellung des Druckes in Abhangigkeit vom Ort, z. B. langs der Venturidiise dem Beispiel entsprechend, ist bei Anlagen mit Pumpen von besonderer Bedeutung f i r den Einbauort der Pumpe, da bei der Festlegung des Einbauortes der Abstand des dort vorhandenen Druckes vom Dampfdruck beachtet werden muss. Im Eintrittsbereich einer Pumpe fillt der statische Druck gegenuber dem an ihrem Eintritt weiter ab, so dass in der Pumpe selbst Kavitation entstehen kann, die fur den Betrieb der Pumpe u. U. unzulassig ist. In Abb. 3.12 stellt der Ort 1den Eintritt in das System "Adage" und der Ort s einen mijglichen, zunachst beliebigen, Einbauort der Purnpe dar. Bei stationarer inkompressibler Stromung zwischen den Orten 1und s liefert die Bilanz der spezifischen Energien (bis zur Stelle s wird keine Energie von a d e n zugefiihrt, d. h. el,s = 0)

Da f i r die Bestimmung des Druckes direkt vor der Pumpe nur die geodatische Hohendifferenz zwischen dem Eintritt in die Adage 1 und dem Purnpeneintritt s von

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3 Pumpen in abwassertechnischen Vefahren und Anlagen

Abb. 3.11

Zusammenhang von Druck- und Ceschwindigkeitsanderung

Abb. 3.12 Zustandsgrogen am Einbauort

c1= QA,, T,

ZUSTANDSANDERUNG VON (1) NACH (s)

Bedeutung ist (Pumpeneintritt unterhalb Eintritt in die Anlage, sogenannter ,,Zulaufbetrieb" mit z1 - z, > 0, Pumpeneintritt oberhalb des Eintritts in die Adage, sogenannter ,,Ansaugbetrieb"z1 - z, < 0), wird die Energiegleichung entsprechend umgestellt:

Um den Abstand des statischen Drucks ps an der Stelle s von dem zur Temperatur an der Stelle s gehorenden Dampfdruckpd darzustellen, wird auf beiden Seiten der Gleichung der Dampfdruck Pd subtrahiert:

3.2 Abwassertechnische Anlagen (aus Pumpensicht)

Fiihrt man den sogenannten NPSH- Wert seiner Definitionsgleichung entsprechend NPSH = (Ps - Pd)/Pg + c9/2g

der in Abb. 3.13 und 3.14 in Abhangigkeit vom Forderstrom Q dargestellt ist. Der Ort s ist ein moglicher Einbauort der Pumpe, an dem der Pumpe der NPSHWert der Anlage NPSHA, d. h. ein Abstand zum Dampfdruck, zur Verftigung gestellt wird. Den Druck ps nennt man auch den Systemdruck der Pumpe, da er als Eintrittsdruck der Pumpe zunachst den Energieumsatz in der Pumpe nicht beeinflusst. Der im Vorhergehenden genannte Druckabfall im Eintrittsbereich einer Pumpe, gegenuber dem an ihrem Eintritt ps, ist nicht zu vermeiden. Er entsteht bei Verdrangerpurnpen z.B. mit der Beschleunigung der Stromung beim "Fdlen" des Arbeitsraumes und bei Kreiselpumpen a u f p n d des Versperrungseffekts der Schaufeln (Venturieffekt)aber auch als Ergebnis der Energieubertragung an die Stromung

I

Abb. 3.13

NPSH-Wert der Anlage

I

I

61

62

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

NPSH

t

1

NPSHA

(21 - q)

Q Abb. 3.14

NPSH-Wert der Anlage

im Laufrad, die, wie beim Auftrieb eines Tragfliigels, zu einer dem Systemdruck iiberlagerten Druckverteilung fiihrt. So kann bei nicht geniigendem Abstand des Systemdrucks p, vom Dampfdruck pd am Eintritt einer Pumpe die Pumpe kavitieren, d. h. in der Pumpe selbst Kavitation entstehen, die fur den Betrieb der Pumpe u. U. unzulassig ist. Die wichtigsten Auswirkungen der Kavitation sind Forderhohen- und Forderstromabfall, Werkstoffzerstorung, Gerausche und Schwingungen. Aussagen dariiber sind jedoch erst dann moglich, wenn der von der Anlage der Pumpe zur Verfiigung gestellte NPSH-Wert NPSH = NPSHA die Minimalanforderung eines Pumpenherstellers, der den zum storungsfreien Betrieb (aus Experimenten bestimmten) erforderlichen NPSH = NPSHR-Wert angibt, die Forderung NPSHA 2 NPSHR als Minimalkriteriumerfullt.Aussagen zum NPSH-Wertder Pumpe NPSH = NPSHR erfolgen in den Abschnitten 3.3.4 und 2.4.3. 3.2.2.2 Ungeloste (fieie) Case

Die Mitforderung von ungelosten (freien) Gasen in Fliissigkeiten fallt unter den allgemeinen Begriff ,,Mehrphasenforderung", bei der verschiedene Phasen (Aggregatzustfinde) nur eines Stoffes undloder Phasen (Aggregatzustande)verschiedener Stoffe zur gleichen Zeit gefordert werden. Die Mehrphasenforderung kann einen gewollten aber auch einen ungewollten Prozesszustand darstellen. So stellt die Gasmitforderung in Fliissigkeiten durch Gaseinpressung (Begasung)oder chemische Reaktionen einen gewollten Prozesszustand dar, Gasleckage in die Fliissigkeit, Ausbildung von gasgefiillten Oberflachenwirbeln, Ausgasen der Fliissigkeit infolge Druckabfall oder Temperaturerhohung und Gasmitforderung nach Entleerung von Pumpen

3.2 Abwassertechnische Anlagen (am Pumpensicht)

I

63

1M 50

-m,/A 20 10

ST= Oberflachenspannung G =m/A

= Massenstromdichte

05

x = p = m,/ (m, + mF,) 0.2 01

5

10

20

50

100

200

5M 1000 2000

SMO 1wM)moOo

Indices: FI = w = Wasser G = L = Luilbei 20"C,1bar

Abb. 3.15

Strornungsforrnen in horizontalen Rohren nach BAKER

oder Anlagen bzw. -komponenten einen ungewollten. Die Folgen der Gasmitforderung sind Forderstromabfall (Zusammenbruch der Forderung), Trockenlauf von Dichtungen infolge Phasenseparation, Trockenlauf oder auch MangelMung/ -schmierung von Gleitlagern, unzulassige Krafte, Schwingungen und Gerausche sowie VerschleiB. Zur Beschreibung der Hohe des Gasgehaltes wird z. B. der volumetrische Gasgehalt E mit E = V,/( V,, V,) oder auch der auf den Massenstrom bezogene Gasgehalt p mit p = m,/(mn mc)angegeben. Die Verfahrenstechnik liefert fur die Gasmitforderung in Fliissigkeiten die sich einstellende Stromungsform bei horizontalen oder vertikalen Rohrleitungen in Abhangigkeit der Massenstromdichte m/A der Flussigkeit und des Gases. In Abb. 3.15 sind fur Gemische aus Wasser und Lufi die Stromungsformen in horizond e n Rohrleitungen in Abhangigkeit der Massenstromdichte des Wassers +,/A und der Massenstromdichte der Luft mc/A beispielhaft dargestellt. Von einer im Vergleich zur Massenstromdichte der Luft hohen Massenstromdichte des Wassers, d. h. einer relativ gutmutigen Blasenstromung (zusammenhangende flussige Tragerphase mit disperser Gasphase) ausgehend, erreicht die Rohrstromung bei konstanter Massenstromdichte der Luft mit abnehmender Massenstromdichte des Wassers zunachst die Stromungsform der Schwall- oder Pfropfenstromung, u m dann in eine Schichtstromung iiberzugehen, die infolge der Phasentrennung als Zustrombedingung fiir Kreisel- und Verdrangerpumpen gleichermagen zu beachten ist. ,Kritische" Anstrombedingungen werden in abwassertechnischen Anlagen haufig auch durch die Geometrie und die Wassersunde der sogenannten Einlaufkammer (Saugraum) bzw. des Pumpenschachtes verursacht. Insbesondere bei EinlaufkammernfPumpenschachten besteht Kostenreduktionspotential bei gleicher oder hoherer Verftigbarkeit (Fordersicherheit),z. B. bei den Bauwerkskostendadurch, dass kleinere Einlaufkammern (Saugraume) geplant und ausgefiihrt werden. Die Folgen

+ +

64

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

schlecht ausgelegter Einlaufkammern sind jedoch Storungen durch ungeloste fieie) Gase und unsymmetrische Druckverteilung bzw. Geschwindigkeitsverteilu~gder Pumpenzustromung, die, wie schon genannt, unzulassige Krafie, Schwingungen und Gerausche, Trockenlauf, ForderstromeinbuBen bis hin zum totalen Zusammenbruch der Forderung (Phasentrennung) bewirken konnen. So konnen ungeloste (freie) Gase als gasgefidte geschlossene Wirbel oder als Blasenschwarm in die Pumpe gelangen (Abb.3.16 und 3.17). Da Berechnungsprogramme zur realitatsnahen Simulation der Stromungsverhaltnisse in Einlaufbauwerken noch nicht zur Verfiigung stehen, werden, wie in der Kraftwerkstechnik als Stand der Technik schon lange iiblich, zunehmend Stromungsuntersuchungen im ModellmaBstab durchgefihrt. Mit Hilfe der Modelluntersuchungen

ZUSTR~MBEDINGUNGEN Abb. 3.16

Mehrphasenstrornung - ungewollter Prozesszustand -

A

Abb. 3.17

Mehrphasenstrornung

- ungewollter Prozesszustand -

3.2 Abwassertechnische Anlagen (aus Pumpensicht)

konnen vorhandene problembehafiete Einlauhmmern optimiert oder wtihrend der Entwurfsphase von Neubauten die spatere Funktion sichergestellt werden. Forderstromanderungen,d. h. Anderung der Stromungsgeschwindigkeitdurch Zuoder Abschalten bzw. An- oder Abfahren von Pumpen, dem Offnen oder dem Schlie13en von Armaturen, Anderungen der Pumpendrehzahl usw. konnen in Anlagen Drucksto$e erzeugen, die Ursache fiir den Ausfall einer Anlage sein konnen. So konnen DruckstoBe zum Bersten oder zum Einbeulen von Anlagenkomponenten, dem Ansaugen von Luft (Korrosion,Mehrphasenforderung),Verdampfungs-und Kondensationsvorgangen, Druck- und Forderstromschwankungen oder auch zu akustisch oder mechanisch bedingten Schwingungen, u. U. mit Resonanzerscheinungen, fiihren. Das DruckstoBrisikoin einer Adage ist hoch, wenn die Zeit, in der die Geschwindigkeitsanderung (Storung)erfolgt, im Verhdtnis zur Ausbreitungszeit der Storung sehr kurz ist At, << At, = 2L/a (Grenzfall),wobei Ats die Zeit der Geschwindigkeitsanderung (Wrung) und At, die Zeit der Ausbreitung der Storung beschreibt. Die Ausbreitungszeit ist abhangig von der doppelten Unge L (hin und zuriick) der Anlage zwischen dem Ursprungsort und der Reflexionsstelle einer Storung (offenes oder geschlossenes Rohrende, Blende, Drossel, Rohrverzweigung usw.) und der Schallgeschwindigkeit a des Fordermediums. Fiir groBe b g e n L und kleine Schallgeschwindigkeiten a kann At,, selbst bei moderaten Zeiten At, fiir Anderungen (Storung), relativ grog werden und damit auch das Risiko, DruckstoBe auszulosen. Fur den Grenzfall Ats << At, = 2L/a lasst sich die Hohe des DruckstoBes mit Hilfe der Kutta-Joukowski-GleichungAH = aAc/g berechnen. Groge Geschwindigkeitsanderungen, z. B. von einer Stromungsgeschwindigkeit c = 2,s m/s auf c = 0 m/s, und hohe Schallgeschwindigkeit fiihren zu starken DruckstoBen. Bei der Mitforderung von ungelosten (freien)Gasen in Flussigkeiten nimmt mit dem volumetrischen Gasgehalt die Schallgeschwindigkeitdramatisch ab (Abb. 3.18).Dadurch nimmt das Risiko der Entstehung von DruckstoBen zu (At, << Ata = 2L/a), gleichzeitig jedoch die Surke des DruckstoBes ab (AH = aAc/g). 3.2.3 Arbeitspunkt

Die Erhohungder Vefigbarkeit und das Reduzierender Energie-und Instandhaltungskosten sind bei abwassertechnischen Anlagen von zentralem Interesse, so dass, wie schon beschrieben, die Auswahl von Pumpen in Abhangigkeit von der Forderaufgabe von wesentlicher Bedeutung ist. Dazu gehort sowohl die intensive Diskussion des Themas ,,Stoffeigensch&en und Zustand der Forderflussigkeit",aufdas im Folgenden noch eingegangenwird, insbesondere aber auch das Thema ,,Wirkungsgradim Arbeitspunkt" der Pumpe. Der Arbeitspunkt einer Pumpe ist der Schnittpunkt der "aktuellen" Anlagenkennlinie (Pegelstandsanderungen, Einspeisung in unterschiedliche Druckleitungenaber auch Verstopfenvon Rechen usw.) mit der ,aktuellen" Pumpenkennlinie (z. B. bei Eingriffindie Pumpezur RegelungaberauchbeiVerstopfungderPumpeusw.). Die Darstellung des Arbeitspunktes und damit Aussagen wie z. B. Teillast-oder Uberlastbetrieb verlangen damit nicht nur die Kenntnis der .aktuellen" Anlagenkennlinie, sondern auch der ,,aktuellen" Pumpenkennlinie (s. Abb. 3.6).

I

65

66

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Vefahren und Anlagen

1600

1600

T 1400

1400

s i= l2O0

1200

loo0

loo0

800 600

L o o

400

200

200

0

0 1E-5

1E-4

1E 9

0.01

091

1

Luthrolumenantell E [ - 1 Abb. 3.18

Schallgeschwindigkett eines Zweiphasengernischs nach CARRARD und WALLIS

Da in diesem Abschnitt abwassertechnischeAnlagen nur aus Pumpensicht betrachtet werden, sol1 abschliegend ein Hinweis aus dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 134 [l] zitiert werden: ,Die fur die Planung und Bemessung von Pumpenanlagen anzustellenden Vorbetrachtungen, die fiir die Auswahl von Gelande bzw. Standort ausschlaggebenden Faktoren sowie die fur die Abmessungen und Ausriistung der Pumpenanlage entscheidenden Kriterien sind ausfiihrlich in der DIN EN 752 dargestellt."

3.3 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Kreiselpurnpen und Ruhmerken 3.3.1 Kennlinien von Kreiselpumpen

Die Energiezufuhr an die Flussigkeit in der Anlage erfolgt, der Uberschrift dieses Abschnitts entsprechend, mit Kreiselpumpen. Das zur Realisierung der Energiezufuhr an die Flussigkeit wichtigste Bauelement ist das Pumpenlaufrad mit seinen Laufradschaufeln (Abb. 3.19). Mit Hilfe der Laufradschaufeln wird mechanische Energie - zu erkennen an der Rotation des Laufrads - in Flussigkeitsenergie- zu erkennen an einer Erhohung von Dmck und Geschwindigkeit in der Flussigkeit - umgewandelt. Die mechanische Energie wird an die Laufradschaufeln uber die Radscheibe des Laufrads und die mit dem Laufrad fest verbundene Welle ubertragen. Ein Antrieb stellt der Welle die mechanische Energie zur Vefigung. Werden die Laufradschaufeln - infolge der Wellendrehung - durch die sie umgebende Flussigkeit ,,geschleppt", dann verdrangen sie kontinuierlich Flussigkeit und werden dabei kontinuierlich um-

3.3 Hinwcisc zur Auswahl und rum Bctricb yon Knisclpumpcn und Riihnvcrkcn

I

67

SCHAUFEL Abb. 3.19

Energieaustausch zwischen Antrieb und Flussigkeit

stromt bzw. die Schaufelkanale kontinuierlich durchstromt. Die so mittels mechanischer Energie durch die Flussigkeit ,geschleppten" Schaufeln produzieren in der Flussigkeit eine Stromung und erhohen damit die Energie der Flussigkeit. In Kreiselpumpen wird die kinetische und die Druckenergie einer Flussigkeit dadurch erhoht, dass die zu fordernde Fliissigkeit von dazu ausgelegten mit dem Laufrad rotierenden Schaufeln kontinuierlich verdrangt wird und dabei die Schaufeln kontinuierlich umstromt bzw. die von den Schaufeln gebildeten Schaufelkanglekontinuierlich durchstromt werden (s.a. [11: Laufradformen und Kugeldurchgang). In Abb. 3.20 sind Radiallaufrader und in Abb. 3.21 AxiallaufrPder unterschiedlichster AusprPgung dargestellt. Wahrend die Fordereigenschaften von Mehrkanulrddem bezuglich Viskosiut, ungelosten Gasen, Fasern, Fetten und Feststoffen stark einge-

4 I

MEHRKANALRAD

Abb. 3.20 Radiate Laufrader

EINKANALRAD

FREISTROMRAD

68

I

3 Pumpcn in abwasscrtcchnischen Vcrfahrcn und Anlagen

AXlALRAD (Rezirkuiationspumpe) I

AxlALRAD

I SCHNECKENRAD

Abb. 3.21 Axiale Laufrader

schrankt sind, sind Einkanalrader bei schonender Forderung, Einkanal- und Zweikanalrader bei Fasern, Fetten und Feststoffen, Freistromriider bei Fasem, Fetten, Feststoffen und ungelosten Gasen, Schneckenraderbei Fasem, Feststoffen, ungelosten Gasen und hoheren Viskosiuten geeignete Laufradformen. Die mit Mehrkanalradem erreichbaren Wirkungsgrade konnen jedoch von den auf die genannten Eigenschaften getrimmten Laufradern nicht erzielt werden, wie auch die mit Mehrkanalradem erreichbaren Forderdaten (Q, H) von den genannten Sonderbauarten - aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften - nicht erreicht werden. Werden z. B. groBe Forderstrome mit relativ geringen Forderhohen transportiert, wird dies (aus wirtschaftlichen Griinden) der spezifischen Drehzahl entsprechend mit Pumpen mit axialem Laufrad (Axial-, Propellerpumpen) in einer sogenannten "abwassertauglichen" Ausfiihrung realisiert. ,Abwassertauglich" heiBt in diesem Fall: Axialpumpen mit geringem Verstopfungsrisiko. Der freie Durchgang dieser Pumpen (Durchmesser, Anzahl der Schaufeln) ist relativ grog und die Vorderkanten der Laufradschaufeln sind so ausgefuhrt, dass faserige Inhaltsstoffe nicht zum Verstopfen des Laufrades fiihren. Auch der weitere Verlauf der Stromung durch die Pumpe wird so optimiert, dass die Neigung zum Verstopfen gering ist. Da Lijsungen dieser Art mehr oder weniger einen Kompromiss darstellen, ist bei Abwassertransport mit Axialpumpen das Weglassen von vorgeschalteten Rechen bzw. die Ausfiihrung von Rechen (Stababstand) in Abstimmung mit dem Pumpenhersteller zu priifen. Die Form der Laufradschaufel (Abb. 3.22)bestimmt die Umstromung der Laufradschaufel, deren Ceschwindigkeit von der Schaufel bzw. dem Laufrad aus betrachtet als Relativgeschwindigkeitw bezeichnet wird. Ein Beobachter auBerhalb des rotierenden Systems Laufrad/Laufradschaufel,d. h. ein ortsfester Beobachter, registriert zusatz-

3.3 Hinwcisc zur Auswohl und zurn Bctricb

yon

Knisclpurnpcn und Riihnvcrkcn

I

69

lich zu der Relativgeschwindigkeit die ,Schleppgeschwindigkeit" - die Umfangsgeschwindigkeit u des Laufrads - und addiert beides zur sogenannten Absolutgeschwindigkeit c. Die der Flussigkeit zugefiihrte Energie lasst sich als Produkt aus der Umfangsgeschwindigkeit u und der Komponente der Absolutgeschwindigkeit in Umfangsrichtung cu darstellen (Abb.3.22): e=uc,

so dass zwischen Laufradaus- und -eintritt gilt:

Die Energieerhohung in Kreiselpumpen beruht auf einer Anderung des Dralls rcu der Flussigkeit. Das bedeutet aber auch, dass die meist ohne Drall in das Laufrad eintretende Flussigkeit (c,, = 0 ) dieses mit einem Drall verlasst, der umso groBer ist, je mehr Energie im Laufrad an die Flussigkeit iibertragen wird. Diese Art der Energieubertragung bei Kreiselpumpen, die im Laufrad erfolgt und mit einer Zunahme des Dralls verbunden ist, bedingt kings des Laufradumfangs eine Abstromung mit relativ hoher Stromungsgeschwindigkeit, die auf logarithmisch gekriimmten Stromlinien erfolgt. Die relativ hohe Stromungsgeschwindigkeit am Laufradaustritt ist fur die Forderaufgabe au%erhaIb der Pumpe, d. h. in der der Pumpe nachgeschalteten Adage, im allgemeinen unzulassig hoch, so dass noch innerhalb der Pumpe, im Leitapparat der Pumpe (Leitrad undlcder Gehause), ein Teil der Geschwindigkeitsenergiein Druckenergie umgewandelt werden kann.

'tech1,l

= P QLa

._ -

\

I

\

\

/

I I I

\ \

I

/

1 / / 0

---I-I

Abb. 3.22 Energieaustausch zwischen Antrieb und Fliissigkeit

'tech1.2

=

Tw

70

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anfagen

In Kreiselpumpen wird die an der Welle verfiigbare Leistung T, (u (Abb. 3.22) an die Flussigkeit iibertragen und dabei die Energie der Flussigkeit um uzcuz erhoht ( T, (u m[u,c,,]). Die Abhangigkeit der Energieumsetzung vom Forderstrom wird in sogenannten Pumpenkennlinien dargestellt. Die grundsatzliche Kenntnis der in Kreiselpumpen auftretenden Stromungsvorgange ermoglicht es, den prinzipiellen Verlauf der Kennlinien und deren Zusammenhang mit wesentlichen Einflussgrot3en zu erklaren, wenn die auftretenden Verluste beriicksichtigt werden. Geht man zunachst von der Vorstellung einer reibungsfreien schaufelkongruenten Stromung aus, dann ist der Zusammenhang zwischen dem Forderstrom Q und der theoretischen Forderhohe Htheo. x , l a k H t h m , x , l a = e12theo. x . l a - U2Cu2thm. x . l a ) mit Hilfe des sogenannten Geschwindigkeitsdreiecks aus den geometrischen Daten des Laufrads abzuleiten:

-

Htheo. %.la =

':/g

- QaU2

ctgb2s/Kg

d2b2

Der Zusammenhang zwischen dem Forderstrom Q und der theoretischen Forderhohe HlhPO, ,,,a ist eine Gerade im Q-H-Diagramm. Die reale Q-H-Kennlinie kann aus der dargestellten Geraden abgeleitet werden, wenn der Einfluss einer ,,endlichen" Schaufelzahl gegeniiber der bei schaufelkongruenter Stromung ("unendliche" Schaufelzahl) und der Einfluss der innerhalb der Pumpe auftretenden Verluste auf die Forderhohe beriicksichtigt werden. Die genannten Verluste werden unterteilt in: 0

hydraulische Verluste in Laufrad und kiteinrichtungen (Druckverluste), die bei gleichem Forderstrom die nutzbare Forderhohe mindern und hydraulische Verluste (volumetrische Verluste), iiberwiegend verursacht durch interne Leckagen zwischen Laufradaus- und -eintritt, zusatzlich aber auch z. B. zur Kuhlung und Schmierung von Gleitlagern, Kuhlung des Spaltrohrs von Nasslaufermotoren oder Magnetkupplungen oder auch zur Beaufschlagung von Entlastungseinrichtungen, die insgesamt bei gleicher Forderhohe den nutzbaren Forderstrom verringern

Die Forderhohenverluste setzen sich zusammen aus (Abb. 3.23):

0

den Verlusten durch Fehlanstromung (auch ..StoB" genannt), z. B. der Lauf- und Leitschaufeln und oder des Sporns einer Spirale, HV,,,, den Wandreibungs- und Profilverlusten Hv,Rbg, die sich in unterschiedlicher Weise mit dem Forderstrom Q andern.

Die hydraulischen Verluste (Abb. 3.24) werden als Forderhohenverluste von der Geraden abgezogen. Der Forderstrom minimaler hydraulischer Verluste ist nicht mit dem des ,.stoRfreien Eintritts" identisch. Die volumetrischen Verluste, z. B. durch interne Leckage am Laufraddichtspalt (Abb.3.25), fiihren zu einem Forderstrom am Aus- bzw. Eintritt der Pumpe Q, der kleiner ist als der Forderstrom Qa: Q, - Htheo,

Qa

=

Q + &pait

3.3 Hinwcisc zur Auswahl und zum Bctricb yon Kniselpumpcn und Riihnvcrkcn

_r--

X

REIBUNGSVERLUSTE

Abb. 3.23

Forderhohenverluste

der kontinuierlich vom Laufrad durchgesetzt wird und an dem dabei kontinuierlich Energie erhoht wird. Die dem Spaltforderstrom zugefiihrte Energie wird zwischen Laufradaus-und eintritt, im Radseitenraum, kontinuierlich vemichtet. Bei gleicher Forderhohe (Abb. 3.25) wird der nutzbare Forderstrom vemngert. Bei Spalterweiterung nimmt der nutzbare Forderstrom, bei gleicher Forderhohe, weiter ab.

t" n = const H

=

fi

~thw,"

=

H.,W

- Hv +

Hv,,

REIBUNGSVERWSTE in Laufrad,LeRrad und Gohluse STOSSVERLUSTE In L.ufrad,Lottmd md Gohluse

Abb. 3.24

Forderhohenverluste

I

71

72

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Vefahren und Anlagen

Q

, H-const

Abb. 3.25

=

QL.

- Qs,

Forderstromverluste

Die aufgenommene Leistung Pw (an der Welle oder an der Kupplung der Pumpe) muss neben der im Laufrad an die Fliissigkeit iibertragenen sogenannten Schaufelleistung PI, auch die Leistungsverluste PVSRbg und Pvm&decken (Abb. 3.26). die durch Fliissigkeitsreibung an den augeren Oberflachen der rotierenden Pumpenteile (Laufrad, Welle) bzw. durch Reibung in Lagern und Wellendichtungen entstehen: 'W

1',

+ 'SRbg + 'mech

F~RDERSTROM Q

= QL.

- Qsp.,

POlchtung

Abb. 3.26

Leistungsbilanz

-

I , QL.

= Q + QSp.l(' a = QL. asp.,

WIRKUNGSGRAD

3.3 Hinweisc zur Auswohl und zum k t r i e b yon Knisclpumpcn und Rijhnvcrkcn

I

73

Mit dem hydraulischen Wirkungsgrad h

= uZcu2/(

u2cu2 )theo.la

= gH/gHthcoJa

und dem volumetrischen Wirkungsgrad rtvoi

= Q/& = Q / ( Q + &pall)

folgt:

wobei

ist.

H ist die sogenannte "Forderhbhe" der Pumpe, die bei inkompressibler Stromung auch durch die folgende Energiebilanz zwischen Pumpenein-und -austritt darstellbar ist:

bzw.

Als Cesamtwirkungsgradder Pumpe bezeichnet man das Verhdtnis aus Nutzleistung P, = pgQH und aufgenomener Leistung Pw,d. h.

rt

= pgQH/P,.,

Die kistungskennlinie - QP-Linie - der Pumpe erhdt man aus der Abhfngigkeit W'

= PQla('ZcuZ)theo,la

+ 'SRbg + 'Lager + 'Dichtung

wie in Abb. 3.27 dargestellt ist. Der Verlaufder Laufradleistung Ph = p&( U ~ C ~ist )im~Q-P-Diagrammeine ~ , ~ nach unten quadratische Parabel, die fiir & = 0 bzw. HL,thco= 0 Nullpunkte aufweist. Die Addition der von Q annfiernd unabhfngigen Leistungsverluste PsRb und Pmech= Pbe, PDichtung zu PL und unter Beriicksichtigung der bei kleinen F6rderstromen zusftzlich auftretenden Teillast-Ruckstr6mverluste fiihrt schliellich zu dem Verlauf der Leistungsaufnahme, wie er sich auch bei Messungen ergibt (s.a. Abb. 3.27). Der Wirkungsgradverlauf (Q-7-Linie)der Pumpe folgt aus der Q-H-Linie und der Q-P-Linie entsprechend der Definition des Wirkungsgrads 7 (Abb. 3.27).

+

74

I

3 Pumpen in obwossertechnischen Verfohren und Anlagen

\ \,Huno.

Abb. 3.27

La

Leistungsdaten

Der Wirkungsgrad wird zu Null bei Q = 0 und bei H = 0 und erreicht seinen maximalen Wert qmaxbei dem Forderstrom (&, bei dem die Summe aller Verluste am kleinsten wird. Bei mehrstufigen Pumpen addieren sich die Forderhohen der Einzelstufen. 1st i die Anzahl der Stufen, so ist (unter Vernachlassigung der hydraulischen Verluste im Einund Austrittsgehause und des Entlastungsstromes einer gemeinsamen Entlastungseinrichtung)

und fur die kistungsaufnahme

Bei zweistromigen (doppelflutigen) Pumpen addieren sich die Forderstrome der in Parallelschaltung angeordneten Laufrader - der beiden Fluten -, d. h.

Q = 2Qnut.

H = HFIU~

und fur die kistungsaufnahme

Das Pumpengehause, dessen Ein- und Austritt die ,,Schnittstellen“ zur Anlage darstellt, sol1 moglichst wie ein Teil des Transportsystems Anlage gestaltet und dimensioniert werden. damit eine harmonische Integration der Pumpe in die Anlage moglich

3.3 Hinwcisc zur Auswahl und zum Bctrieb von Knisclpumpcn und Riihnucrkcn

ist. In Pumpengebusen wird die aus dem Laufrad austretende Striimung gesammelt und im allgemeinen dabei kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt. Sieht man von wellendichtungslosen Pumpen ab, dann ist die Laufradwelle aus dem Pumpengehause herauszufiihren und der Wellendurchtritt gegeniiber der Umgebung abzudichten. Die Belastung der Dichtung resultiert aus der Geschwindigkeits-, Druck- und Temperaturverteilung in dem an die Dichtung angrenzenden Radseitenraum und aus den Kraften, die auf das Laufrad und damit auf die Welle wirken und von den Lagern aufgenommen werden miissen. Die Axialkraj (der ,Axialschub"), die vom Axiallager der Pumpe aufgenommen werden muss, riihrt im wesentlichen von den Driicken her, die auf die SuBeren Laufradseitenwande (Abb. 3.28) wirken. Sie erzeugen bei unentlasteten Laufradern eine resultierende Kraft in Richtung zur Laufradeintrittsseite, deren GroBe unmittelbar mit der vom Laufrad erzeugten Druckerhohung zusammenhangt und sich daher etwa entsprechend der Forderhohe mit dem Forderstrom Pndert (Abb.3.29). Um die GroBe der Axialkraft zu reduzieren und damit die axiale Wellenlagerung zu entlasten, stehen die in Abb. 3.30 dargestellten Moglichkeiten zur Verfiiguw Die Radialkraj (der "Radialschub"),die von den Radiallagern der Pumpe aufgenommen werden muss, riihrt im wesentlichen von den Driicken her, die langs des Laufradumfangs auf das Laufrad wirken (Abb.3.31). Das bei einstufigen Kreiselpumpen meist dem Laufrad nachgeschaltete Spiralgehause kann als Leiteinrichtung nur f%r einen bestimmten Forderstrom die aus dem Laufrad austretende Stromung optimal - d. h. laufradsymmetrisch - sammeln und in Druck umsetzen. Dies ist der Auslegungsforderstromder Spirale,im allgemeinen der Punkt besten Wirkungsgrades. Bei davon abweichenden Fhrderstromen ergeben sich Abweichungen vom idealen Verlaufder Stromung, im Bereich des Spiralsporns durch .Stof? und langs der gesamten Spirale durch

/ p2

Abb. 3.28 Axialkrah

unentlastetes Laufrad

I

75

76

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen HIH, A

FadFaX,opl

unentlarteter

4

Abb. 3.29

0

Axialkraherlauf

wie bei Teillast - eine bezuglich des Forderstroms sich diffusorartig erweiternde Spirale (JU groBe Spirale bei Teillast") wie bei Uberlast - eine bezuglich des Forderstroms sich dusenartig verengende Spirale (JU kleine Spirale bei Uberlast")

mit der damit verbundenen Druckkderung langs der Spirale. Der Druckverlauf langs der Spirale ist nur bei Q = QBp annahernd konstant. Aus den Druchnterschieden langs des Laufradumfangs (langs der Spirale) ergibt sich eine resultierende stationare Radialkraft (senkrecht zur Drehachse), deren Betrag und Richtung sich mit dem Forderstrom andert. Bei konstantem Forderstrom wird das Laufrad, obwohl es dreht, nur in eine Richtung ausgelenkt (Wellenbelastung!). Der Betrag der Radialkraft ist fur Q = QBp am kleinsten und bei Q = 0 am grogten (Abb. 3.32). unentlastet

Abb. 3.30 Axialkrahentlastung

mit Ruckenschaufel

mit meitem Spaltring und Entlastungsbohrung

3.3 Hinwcise zur Auswahl und zum Betrieb yon Kniselpumpen und Riihnvcrken

Laufradabrtrlknung erfolgtMr QMQ,,, mit peconst lllngr des Umfangr

Abb. 3.31

Radialkraft

Der Einfluss der Geometrie der Leiteinrichtung- als die das Laufrad umschliegende Einrichtung - auf die Radiallcraft ist zwingend (Abb.3.32). Die Gehauseform bestimmt u.a. damit die auf das Laufrad wirkende Radialkraft. Bei Spiralgehausepumpen ist die bei Teil- und Uberlast, bei Ringraumgehsusepumpendie bei Uberlast auf das Laufrad wirkende stationare Radialluaft grog. Dies kann zu einer unzulassigen Durchbiegung der Pumpenwelle im Bereich der Wellenabdichtung fiihren, die dann Ursache von Schaden an Gleitringdichtungen ist. In extremen F2llen kann dies sogar zum Biegewechselbruch der Welle fiihren. Zusatzlich zu der genannten

0.5

Abb. 3.32

Radialkraftverlauf

I

77

78

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

statischen Radialkraft ist bei Einkanallaufradern die sogenannte ,,hydradische Unwucht" der Einzelschaufel zu beachten, die eine mit Drehfrequenz umlaufende Radialkraft (instationare Radialkraft, lauft mit der Welle um) darstellt und die statische Radialkraft deutlich ubersteigen kann. Einige Hersteller gleichen die ,,hydradische Unwucht" durch eine entsprechend aufgepragte mechanische Unwucht aus. Schon bei Zweikanalradern, wenn diese die Vorgaben bezuglich Verstopfens erfullen, wird die umlaufende instationare Radialkraft durch die Anordnung der beiden Schaufeln ausgeglichen. Die Starke dieser instationaren (weil umlaufenden) Radialkrafte nimmt - ebenso wie die stationarer Radialkrafte - im allgemeinen nach Teillast zu. 3.3.2 Feststoeehalt/Viskosiat (s. a. Abschnitte 3.2.1 und 3.4.2)

Liegt das Fordermedium nur in seiner fliissigen Phase (Aggregatzustand), d. h. einphasig vor, dann ist die Viskositat des Fordermediums von der Temperatur, dem Druck und u. U. der sogenannten Schergeschwindigkeit abhangig. Besteht das Fordermedium aus Flussigkeit als der einen Phase (Aggregatzustand) und aus Feststoffen des gleichen oder eines anderen Stoffes als weiterer Phase (Aggregatzustand), dann findet ,Mehrphasenforderung" mit einer zusatzlich von der FeststofRonzentration abhangigen Viskositat statt. Die Feststofionzentration einer Flussigkeit, gekennzeichnet durch die Volumenoder die Transportkonzentration der Feststoffe, beeinflusst mit der Anderung der Viskositat (s.Abschnitt 3.2.1) und des spezifischen Gewichts der Mischung zum einen die Leistungsdaten der Pumpe und zum anderen durch den Kontakt der einzelnen Feststoffpartikel mit den Pumpenbauteilen den VerschleiB der Pumpe. Liegen die Feststoffe als disperse Phase in einer Flussigkeit vor, wie z. B. bei Schbmmen, und sind die Feststoffe homogen verteilt, dann verhalt sich eine dadurch veranderte ViskosiGt des Fordermediums wie schon unter dem Therna Viskositat beschrieben (Abb. 3.33), d. h. sie greift insbesondere infolge erhohter Druckverluste in der Stromung in die Forderhohe H und damit auch in den Wirkungsgrad q der Pumpe ein. Die Anderung der Dichte mit der Feststofionzentration des Gemisches fuhrt wegen P , = pgQH in erster h i e zu einer Anderung der Leistungsaufnahme der Pumpe. Bei der Mitforderung von Feststoffen ist neben der Anderung der Leistungsdaten insbesondere auch das VerschleiBverhalten der P u m p zu beachten. Mit der Durchstromung der Pumpe findet neben dem Transportieren (,,Schleppen") von Feststoffen, mit dem beschriebenen Einfluss auf die Leistungsdaten, auch (Abb. 3.34), ErosionsverschleiB durch StoBen/Prallen der Feststoffe auf die festen Oberflachen der Pumpe (sogenannter StoRverschleiB),Angriffswinkel der Stromung gegen die Wand von a 90 ErosionsverschleiB durch Reiben der Feststoffe langs der festen Oberflachen der Pumpe (sogenannter ReibverschleiB), Angriffswinkel der Stromung gegen die Wand von (1 << 90 und

-

3.3 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Kreiselpumpen und R i i h w r k e n H4

Abb. 3.33

n = const

n = const

H4

Einfluss von Dichte und Viskositat

Erosionsverschlei%durch Zermahlen von Feststoffen, z. B. in den Drosselspalten (sogenannter KorngleitverschleiB) Statt.

Die Pumpenhersteller bieten eine Vielfalt von Sonderwerkstoffen fur das Laufrad und die Gehluseteile an, um bei hohem Feststoffgehalt die Instandhaltungs- und die Produktionssicherungskosten(Sicherungder Forderung/Entsorgung)zu reduzieren. Dabei spielt der VerschleiBwiderstandvon Spaltringen und Spaltraumen eine besondere Rolle, da durch den mit gro%erwerdendem Spalt zunehmenden Leckagestrom U

KORNGLEITVERSCHLESS Zermahlen von Feststoffpartikeln. z.B. in Drosselspalten

STOSSVERSCHLEISS Angriffswinkel der SrOrnung 90"g&n die Wand a

-

AngrifFswinkel der StrOrnung gegen die Wand a<<90' REIBVERSCHLEISS

i

W

Abb. 3.34 VerschleiBmechanismen

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79

80

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfohren und Anlagen

zwischen Laufrad und SpaltringfGehause das Risiko des so genannten ,,Festbrennens" zunimmt. Kann der VerschleiB durch Wahl anderer Werkstoffe nicht wirksam begrenzt werden, bleibt nur der Weg uber die Verringerung der Stromungsgeschwindigkeiteninnerhalb der Pumpe. Der ErosionsverschleiB nimmt mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit zu bzw. ab ( E w 3 im Laufrad, E c3 im Gehause bzw. Leitrad), so dass z. B. durch eine Halbierung der Geschwindigkeit der ErosionsverschleiB um das Achtfache reduziert wird. Das Geschwindigkeitsniveau in einer Pumpe ist, dem beschriebenem Arbeitsprinzip entsprechend, an die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades (d.h. an das Produkt aus Durchmesser und Drehzahl) und damit auch direkt an die Forderhohe der Pumpe gekoppelt. Damit ist, wenn die Forderaufgabe erfullt werden muss, d. h. die Pumpe die von der Anlage geforderte Forderhohe zur Verfugung stellen muss, ein Absenken des Geschwindigkeitsniveaus nur durch Aufteilung der Forderhohe auf zusatzliche Stufen bzw. Pumpen moglich. Die damit verbundenen Nachteile sind den Nachteilen von Ausfuhrungen mit Sonderwerkstoffen gegenuber zu stellen, um das Optimum zwischen "Aufriistung" der Werkstoffe und Einhaltung von Forderhohengrenzen bei Feststoffmitforderung (Umfangsgeschwindigkeit am Laufradaustritt) zu finden. Weiterhin ist bei der Mitforderungvon Feststoffen zu beachten, dass die in Abschnitt 3.3.1 beschriebenen Verluste durch Fehlanstromung (.StoB"), z. B. der Lauf- und Leitschaufeln und oder des Spoms einer Spirale, zu ErosionsverschleiB (Prallenf StoBen) und die Wandreibungs- und Profilverluste, insbesondere wenn damit die Ablosung der Stromung (Wirbel) verbunden ist, zu ErosionsverschleiB infolge von "Reiben und PrallenfStoBen" fiihren. Damit wird eine Pumpe bezuglich ihres Arbeitspunktes im Punkt besten Wirkungsgrades nicht nur energetisch, sondern auch im Hinblick auf den VerschleiB bei Feststoffmitforderung (Verfugbarkeit) ideal betrieben. Im Zusammenhang mit dem VerschleiB infolge Feststoffmitforderung sol1hierbei auf die Erosions-Korrosion als weitere mogliche Belastung der Pumpe hingewiesen werden. Durch Erosion (Abrasion, Zerriittung) von Pumpenbauteilen als auch durch hydrodynamische Reibung und Kavitation kann z. B. die Deckschicht von Metallen so beschadigt werden, dass diese nicht wirksam werden kann und in chemisch aggressiven Abwassem und Schlammen infolge Korrosion der VerschleiB gegenuber dem in neutralen Wassern - bei sonst gleicher Belastung - stark ansteigt. Bezuglich der Auswahl von Werkstoffen sei hier auf die Kapitel 10 und 13 hingewiesen. Die Mitforderfihigkeit von Fasem und groben Feststoffen, d. h. die Eigenschaft einer Pumpe, nicht zu verstopfen. wird durch Pumpen mit groger Durchgangigkeit erreicht, wie bei Einkanalradpumpen mit faserabweisenden Eintrittskanten oder Freistrompumpen. Bei Laufradern ohne Deckscheibe sind in den Saugmund integrierte Schneidnuten zum Abtrennen abgestreifter Fasern ublich. Bei kleineren Rohrleitungsnennweiten konnen den Pumpen Schneideinrichtungen vorgeschaltet werden. Diesen Abschnitt abschlieBend seien Hinweise aus [ 1) zitiert. ATV-DVWK-A 134, 2.6 Mindestkugeldurchgang: ,,Um eine sichere Forderung zu gewahrleisten, wird ein freier Kugeldurchgang von 100 mm sowohl fur die Fordereinrichtung als auch fur die Armaturen und die Druck-

-

-

3.3 Hinwcisc zur Auswohl und zurn Bctricb yon Kniulpumpcn und Riihnvcrkcn

leitung empfohlen. Die Verwendung speziell entwickelter verstopfungsarmer Laufrader mit einem freien Querschnitt unter 100 mm (s. Abschnitt 4 der ATV-DVWK-A 134) und entsprechende Wahl des Leitungsdurchmessers ist zu priifen. Die Pumpen kleiner Abwasserpumpstationen sind daher nicht nur nach den Zufliissen zu dimensionieren, sondern Verstopfimgsunempfindlichkeit und die Mindestgeschwindigkeit sind ebenfalls maggebende Grogen. Das kann im Verhaltnis zum Abwasserzufluss zur uberdimensionierung der Adage ftihren. Eine lichte Weite von 80 mm fur die Druddeitung sollte nicht unterschritten werden. Kleinere Kugeldurchgange in Verbindung mit Zerkleinerern und entsprechenden kitungsdurchmessem sollten nur in Sondemen zur Anwendung kommen, z. B. fur die Entsorgung ..." ATV-DVWK-A 134, 4.1.1 Auslegung der Pumpen: .Alle genannten Laufradformen (Einkanalrad, Mehrkanalrad, Schneckenkanalrad, Freistromrad) sind im Prinzip f i r den Einsatz in rechenlosen Pumpstationen geeignet, unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen des Abschnittes 2.6 e r f d t werden."... ,Die Stromungsgeschwindigkeit in den Laufradkaden sollte nach Moglichkeit 2 m/s nicht unterschreiten, weil sonst die Gefahr der Pumpenverstopfung sehr grog ist." 3.3.3 Ungel6ste (hie) Case

(5.

a. Abschnitte 3.2.2.2 und 3.4.4)

Die Miforderung von ungelosten Gasen in Fliissigkeiten ffillt unter den allgemeinen Begriff "Mehrphasenfbrderung", bei der verschiedene Phasen (Aggregatzusunde) nur eines Stoffes undloder Phasen (Aggregatzusande)verschiedener Stoffe zur gleichen Zeit gefbrdert werden. Die Mehrphasenftirderung kann einen gewollten aber auch einen ungewollten Prozesszustand darstellen. So stellt die Gasmitfbrderung in Flussigkeiten durch Gaseinpressung (Begasung) oder chemische Reaktionen einen gewollten, Gasleckage in die Fliissigkeit, Ausbildung von gasgefdten Oberflnchenwirbeln,Ausgasen der Flussigkeit infolge Druckabfall oder Temperaturerhohung und Gasmitfhrderung nach Endeerung von Pumpen oder Anlagen bzw. -komponenten einen ungewollten Prozesszustand dar. Zur Beschreibung des Gasgehaltes wird z. B. der volumetrische Gasgehalt E mit E = V,/( V,, + V,) angegeben. Fur die Entstehung gestorter Anstrombedingungen, dazu gehort auch eine Zustromung zur Pumpe mit ungelosten (freien)Gasen, sind in der Abwassertechnik haufig die Geometrie und die Wassersande der sogenannten Einlaufkammer (Saugraum) bzw. des Pumpschachtes verantwortlich. Wie schon in Abschnitt 3.2 genannt, reichen die Folgen schlecht ausgelegter Einlaufkammern von u n d b s i g e n Krlften bis zu Schwingungen und Gerauschen. von kurzfristigem Trockenlauf der Gleitringdichtung bis hin zum totalen Trockenlauf infolge Phasentrennung im Radseitenraum. vom Forderhohenabfall mit Forderstromeinbugen von z. B. 50% bis hin zum totalen Zusammenbruch der Forderung (Phasentrennung). Liegt wie beim Blasenschwarm die Gasphase als disperse Phase vor, dann andert sich in erster Linie die Forderhohe der Pumpe wie in Abb. 3.35 dargestellt ist. Die

I

82

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Vegahren und Anfagen E

PUMPENKENNFELD

60

Zweipharenftkderunu n,=15

55 50 45 40

35 p 30 I m

25 5 20

0

1 . . . .

0

Abb. 3.35

20 40 60 80 100120140160180200 220 Gesamtvolumenstrom Q [mVh]

15

g

5

10

5 0

-5

Einfluss des volurnetrischen Casgehaltes

Grenze des zulassigen Gasgehalts liegt in Abhangigkeit der Laufradform zwischen 3...7 Volumen-% Gas in der Flussigkeit. Diese Grenze wird angenommen, da schon dieser relativ geringe Gasgehalt bei Teil- und Uberlast der Pumpe mit einem dramatischen ,Zusammenbruch" der Forderhohe verbunden ist und die Pumpe ihre Forderaufgabe "Abwassertransport mit vorgegebenem Forderstrom" nicht mehr erfullen kann. Liegt die Gasphase als gasgefullter geschlossener Wirbel vor oder sammelt sich ein Blasenschwarm vor der Pumpe zu einem zusammenhangenden Blasenschwarm an (Abb. 3.17), der erst bei einer bestimmten Gro&e von der Pumpe angesaugt wird und dabei einen kurzfristigen Zusammenbruch der Pumpenforderhohe bewirkt, entstehen starke instationare Zustande in der Pumpe, bei denen in erster Linie die P u m p und die Anlage mechanisch unzulassig belastet werden konnen. 3.3.4 Kavitation (s.a. Abschnitte 3.2.1 und 3.4.3)

Der Ort s ist der Einbauort der Pumpe (Abb. 3.36). Am Ort s wird der Pumpe der NPSH-Wert der Anlage NPSHA, d. h. ein bestimmter Abstand zum Dampfdruck zur Verfugung gestellt: ps - pd = pgNPSHA - /1gc,2/2. Der Druck ps ist der Systemdruck der Pumpe, da er als Eintrittsdruck der Pumpe den Energieumsatz in der Pumpe zunachst nicht beeinflusst. Der schon in Abschnitt 3.2.1 genannte Druckabfall zwischen Pumpeneintritt (Eintrittsdruck p , ) und Laufradeintritt ist nicht zu vermeiden. Er entsteht zum Teil aus der Versperrung der Schaufeln (Venturieffekt) aber auch aus dem Energieumsatz im Laufrad selbst, der ahnlich wie der Auftrieb eines Tragflugels an den aus der Umstromung resultierenden Druckverlauf lings der ,,Schaufeloberflache"gekoppelt und dem Systemdruck uberlagert ist (Abb. 3.37). So kann bei nicht genugendem Abstand des

3.3 Hinwcisc zur Auswahl und zum Bctricb yon Knisclpumpcn und Riihnverkcn

I

83

Abb. 3.36

NPSH-Wett der Anlage

Systemdrucks ps am Eintritt einer Pumpe vom Dampfdruck pd die P u m p kavitieren, d. h. Kavitation in der P u m p selbst entstehen, die fiir den Betrieb der P u m p u. U. unzulassig ist. Die wichtigsten Auswirkungen der Kavitation sind Forderhohen- und Forderstromabfall, Werkstoffzerstorung, Gerausche und Schwingungen. Aussagen zu den Auswirkungen sind j e d d erst dann moglich, wenn der von der Anlage der Pumpe zur Verfiigung gestellte NPSH-Wert NPSH = NPSHA zusammen mit der Minimalanforderung des Pumpenherstellers, der den zum storungsfreien Betrieb (aus Experimenten bestimmten) erforderlichen NPSH-Wert NPSH = NPSHR

P Q = const n = const

I

SS = Saugsete DS = Druckseib

Abb. 3.37 Druckverlauf langs der Schaufeln

84

I

3 Pumpen in abwassertcchnischen Vefahren und Anlagen

t

Q = const, n = const

H(m)

-A NPSH, (Pumpe)

n = const

----Minimalkriterium:

\

NPSHA = NPSHR = NPSH,

%.,

I I

NPSHA (Anlaw)

Q(mJ/h) b

angibt, diskutiert wird. Der als Auswirkung der Kavitation auftretende Forderhohenabfall lasst sich im Versuch leicht bestimmen. Hierzu werden z. B. so genannte Abreiskurven (Abb. 3.38) aufgenommen, indem bei konstanter Drehzahl und konstantem Forderstrom einer P u m p der NPSH-Wert abgesenkt und die Anderung der Forderhohe bestimmt wird. Aus diesen AbreiBkurven entnimmt man dann denjenigen NPSH-Wert, bei dem die Forderhohe um einen bestimmten Prozentsatz (in der Praxis im allgemeinen 3 %) der bei kavitationsfreier Stromung vorhandenen Forderhohe abgefallen ist. Der zum Abfall der Forderhohe um 3 % fuhrende Wert wird ublicherweise mit (NPSHR),, = NPSH,a bezeichnet. Als (NPSHR),, = NPSH,, hat man denjenigen Wert anzusehen, bei dem die Forderhohe bei Absenken von NPSHA aus dem horizontalen Teil der AbreiBkurve herauslauft. SchlieRlich erkennt man aus der AbreiBkurve auch denjenigen NPSH-Wert, der infolge Vollkavitation im Laufrad zum Steilabfall der Forderhohe fiihrt (NPSHR, = NPSH,). Der charakteristische Verlauf der AbreiBkurven erklart sich aus der Wirkung der Kavitation auf die Stromung im Laufrad. Dabei ist bemerkenswert und fur den praktischen Betrieb von groBer Bedeutung, dass eine Auswirkung auf die Forderhohe erst bei NPSH-Werten auftritt, die bereits weit unterhalb von (NPSHR), = NPSH,, dem NPSH-Wert beginnender Kavitation, liegen. Andererseits kann je nach Steilheit der AbreiBkurve der NPSH,,-Wert schon sehr nahe bei dem Steilabfall der Forderhohe liegen. Bei einer nach dem NPSH,,x-Kriterium ausgelegten Anlage kann daher eine wahrend des Betriebes erfolgende Reduktion von NPSHA (2. B. infolge Verschmutzung saugseitiger Rohrleitungen, Siebe usw. oderfund durch Abfall des saugseitigen Pegels) leicht zu einem starken Forderhohenabfall der P u m p und den damit verbundenen Betriebsstorungen ftihren.

3.3 Hinweisc zur Auswohl und r u m W n c b von Knisclpumpcn und Ruhnvcrkcn

I

85

Stellt man den NPSH-Wert der Adage NPSH = NPSHA (Abschnitt 3.2.2.1) rnit dem in diesem Abschnitt beschriebenen NPSH-Wert der P u m p NPSH = NPSHR, z. B. dem NPSH,,-Wert als Minimalkriterium, gemeinsam in einem Diagramm dar (Abb. 3.38), dann folgt der bezrlglich Kavitation maximal zulaissige Forderstrom als Schnittpunkt der beiden Kurven. Links vom Schnittpunkt, d. h. von,,,Q ,, stellt die Adage der Pumpe einen hoheren NPSH-Wert zur Verfiigung als die Pumpe fordert, w&rend rechts vom Schnittpunkt. d. h. von die Pumpe mehr NPSH fordert als die Adage zur Verfiigung stellen kann. In Abb.3.39 ist neben dem NPSH,,-Wert der Pumpe n3herungsweise auch NPSH,, der NPSH-Wert der Vollkavitation (Steilabfall der Forderhohe), als Parabel durch Null mit einer Tangente an den Steilanstieg der NPSH,%-Kurve,eingetragen. Geht man, wie in Abb. 3.39, von einer NPSH-Kurve der Adage aus, die bis & beziiglich Kavitation zulsssigen Betrieb ausweist, dann kann der Einfluss von z. B. saugseitigen Pegelschwankungen diskutiert werden. Dabei soll aus Griinden der einfacheren Darstellung davon ausgegangen werden, dass die betrachteten saugseitigen Pegelschwankungen die g d t i s c h e Hohendifferenz zwischen Ein- und Austritt der Anlage nur vernachlassigbar beeinflussen, d. h. der Schnittpunkt der Anlagenkennlinie mit der Pumpenkennlinie sich dadurch praktisch nicht indert. In Abb. 3.39 wird gezeigt, dass saugseitige Pegelinderungen die Pumpe nicht nur iiber einen Kavitationszustand mit mehr als 3 %-Forderhohenabfd fiihren konnen, sondern auch die NShe der Vollkavitation rnit der entsprechend geringeren Forderleistungder Pumpe und damit der gesamten Adage. Gleiches kann aus Abb. 3.40 abgeleitet werden, wobei hier der saugseitige Pegelstand konstant bleiben soll und die Stromungsverluste auf der Saugseite Ah,.s auch hier mit einem nur geringen Einfluss auf die Gesamtanlagenkennlinie, den Kavitationszustand in der Pumpe bis zur Vollkavitation fiihren

n = const

H (NPSHA)

Abb. 3.39

Einfluss der Kavitation auf die Leistungsdaten

I

Qz

I

Q,

Q

86

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

4

H

Abb. 3.40

,H(NPSHA)

n = const

Einfluss der Kavitation auf die Leistungsdaten

konnen. Die Folgen solcher Kavitationszustande in der Pumpe waren neben einem stark reduzierten Forderstrom der Anlage u. U. auch unzulassig hohe Gerausche, Schwingungen und VerschleiB.

3.3.5 Pumpenaufstellungen/Pumpenantriebe

Grundsatzlich konnen abwassertechnische Anlagen, z. B. ihrer Bauwerkskonzeption entsprechend, natiirlich mit Pumpen in Trocken- oder in Nassaufstellung ausgeriistet werden. Auf das Ziel, die Kapid- und Betriebskosten (Energie-und Instandhaltungskosten) bei gleicher oder hoherer Verfugbarkeit (Fordersicherheit) zu reduzieren, wurde einleitend schon hingewiesen. Reduktionspotential besteht z. B. bei den Kapitalkosten in den Bauwerkskosten, z. B. durch so genannte Nassaufstellung von Pumpen. Dabei ist zu beachten, dass ,,bei der so genannten Nassaufstellung... Uberflutungssicherheit und geringere Investitionskosten vermehrt unhygienischen und zum Teil gefahrlichen Wartungsarbeiten mit groBerem Personalaufwand gegenuber"-stehen [I]und bei der Trockenaufstellung ,,... zum Schutz der Gewasser vor Verunreinigung und zur Sicherung der Ortshygiene eine hohe Verfugbarkeit..." leicht nachvollziehbar ausgewiesen wird. Vorteile der Trockenaufstellung sind: Betriebssicherheitlverfugbarkeit (einfache Zustandskontrolle wahrend des Betriebs), Instandhaltung unter hygienisch einwandfreien Bedingungen, standardmagige Antriebssysteme, Pumpenkammer die zur Aufstellung auch anderer Pumpen (Probenentnahme, Schlammpumpen) und z. B. auch der Durchflussmesstechnik dienen kann. Vorteil der Nassaufstellung sind die schon

3.3 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Kreiselpumpen und Riihrwerken

genannte kostengiinstige Erstellung des Pumpenbauwerks (kein separater Maschinenraum, keine saugseitigen Armaturen und Rohrleitungen), der geringe Platzbedarf und die ,,aufstellungsbedingte"Selbstansaugefahigkeit.Bei der Nassaufstellung kann durch Storungsfriiherkennung mit Hilfe von "robusten abwassertauglichen" Sensoren der Vorteil der Trockenaufstellung:,Zustandskontrolle wahrend des Betriebes" ausgeglichen werden. Als Pumpenantrieb steht neben dem klassischen luftgekiihlten Drehstrommotor der sogenannte Tauchmotor fur Tauchmotorpumpen zur Verfugung. Mit der Wahl der Aufstellungsart der Pumpe ist die Wahl des Pumpenantriebes verbunden, d. h. vertikale oder horizontale Aufstellung aber insbesondere Nass- oder Trockenaufstellung. Der Tauchmotor ist ublicherweise innen trocken und fur Nassund/oder Trockenaufstellung (Motorgehausevon Flussigkeit oder Lufi umgeben) geeignet. Beim Tauchmotor in Trockenaufstellungbzw. bei durch abgesenkten Flussigkeitsspiegel ausgetauchtem Tauchmotor ist sicherzustellen, dass die Motorverlustwarme abgefiihrt werden kann bzw. der Motor z. B. rnit Hilfe einer Widdungstemperaturiiberwachung rechtzeitig abgeschaltet wird. Sonst muss mit Isolationsschaden aus thermischer Uberlastung oder zu schneller Alterung durch zu hohe thermische Beanspruchung gerechnet werden. Um beim Tauchmotor eine Leckage in den Motorinnenraum zu verhindern, werden insbesondere bei der Kabeldurchfiihrungund der Wellenabdichtung technische Liisungen von den Pumpenherstellem angeboten, die vom Betreiber den Anforderungen entsprechend gegenubergestelltwerden mussen. Im Betrieb der Pumpe erfolgt die Uberwachung der Dichtheit im allgemeinen mit Feuchtigkeitssensoren oder Schwimmerschaltern.

3.3.6 Wellenabdichtungen (s.a. Abschnitt 3.4.5und Kapitel 4)

Die Wellenabdichtung hat nicht nur beim Tauchmotor eine besondere Bedeutung. Die Wellenabdichtung ist generell ein Funktionsteil und damit mitbestimmend fiir die Verfiigbarkeit einer Pumpe. Ganz allgemein sollen Wellenabdichtungen einen hohen VerschleiB- und Korrosionswiderstand aufiveisen. Neben Stopfbuchsdichtungen und so genannten einfach wirkenden Gleitringdichtungen sind insbesondere bei Tauchmotorpumpen doppelte Gleitringdichtungen in Tandemanordnung mit Flussigkeitsvorlage seit langem Standard. Wenn Gasansammlungen im Bereich der Gleitringdichtung nicht ausgeschlossen werden konnen, bei Abwasser ist ein geringer Gasanteil nie auszuschlieflen, sollte nicht nur bei nass aufgestelltenTauchmotorpumpen, sondern auch bei trocken aufgestellten Aggregaten eine Flussigkeitsvorlage zur Schmierung der Gleitringdichtungbzw. der Stopfbuchsevorhanden sein. Die Ansammlung von Feststoffen im Bereich der Gleitringdichtungbzw. der Stopfbuchse ebenso wie von Gasansamdungen kann durch die konstruktive Ausfuhrung des Dichtungsraumes begrenzt werden. Wie schon am Anfang dieses Beitrages ausgefuhrt wurde, bestimmt die Gehauseform u.a. die aufdas Laufrad wirkende Radialkraft. Diese kann zu einer unzulassigen Durchbiegung der Pumpenwelle im Bereich der Wellenabdichtungfiihren, die dann,

88

l

3 Pumpen in abwassertechnischen Vefahren und Anlagen

insbesonderewenn die Durchbiegung im Bereich der Gleitringdichtung grog ist, haufig die Ursache von Schaden an Gleitringdichtungen ist. Hier ist bei Einkanallaufradern der Teil- und Uberlastbetrieb besonders zu beachten, wenn nicht die Nodaufeigenschaften von ,,Stopfbuchsen" als Lager mit Feder- und Dampfungseigenschaften zur Entscheidungsgrundlage zwischen Abdichtungssystemen, d. h. Stopfbuchse oder Gleitringdichtung, werden sollen. ATV-DVWK-A 134, 4.1.3 ,,Konstruktionshinweise": ,,Beurteilungskriterien beim Einsatz von Gleitringdichtungen, auch bei Tauchmotorpumpen, sind ein kurzer Abstand zwischen Laufrad und erstem Lager sowie der Einsatz speziell ausgebildeter Gleitringdichtungen, die insbesondere Abwasser nicht an die Andruckfedern der Dichtungen gelangen lassen (Verschmutzungsgefahr)."

3.3.7

Schwingungen (s. a. Abschnitt 3.4.6)

luferschwingungen (Wellenschwingungen)sind in Verbindung mit z. B. der Drehzahlregelung, der Verfiigbarkeit von Pumpen mit fliissigkeitsgeschmierten und -gekiihlten Gleitlagern,der Vermeidung von Schaden an Pumpendichtungen, aber auch beziiglich der Schwingungsanregungvon Anlagen oder Anlagenkomponenten zu diskutieren. Einen Liufer bezeichnet man als ,,starr", wenn er sich bei der aus seiner Unwucht resultierenden Fliehkraft bei allen vorkommenden Drehzahlen nicht durchbiegt. Einen Liufer bezeichnet man als ,,elastisch",wenn er sich bei der aus seiner Unwucht resultierenden Fliehkraft durchbiegt, mit der Durchbiegung natiirlich die Fliehkraft zunimmt und der Liufer durch eine Ruckstellkraft im Gleichgewicht gehalten wird. 1st c die Federkonstante der Ruckstellkraft des l u f e r s und m seine Masse, dann ist bei einem ungedampften l u f e r mit ,,starrer" Lagerung die ,,starrkritische Winkelgeschwindigkeit" die sogenannte hiegekritische Drehzahl" R = (c/m)'12. Die ,,biegekritische Drehzahl" ist eine Eigenfrequenz des Eufers. Im CampbellDiagramm (Abb.3.41),bei dem die Eigenfrequenz SZ uber der Drehfrequenz w dargestellt wird, ist mit SZ = (c/m)'I2 die ,,biegekritischeDrehzahl" eine von der Drehfrequenz w unabhangige Gerade. Die Unwucht, d. h. die im versetzten Schwerpunkt des l u f e r s angreifende Fliehkraft, wird von einem Beobachter im ruhenden System als mit der Drehfrequenz periodische Kraft gefiihlt. Im Campbell-Diagrammist sie damit - zur Darstellung aller aus der Unwucht als Erregerfrequenz resultierenden moglichen Schnittpunkte mit Eigenfrequenzen - eine unter 45" liegende Gerade. ,,Trifft" die Unwucht, bei entsprechender Drehfrequenz der Welle, eine Eigenfrequenz des Liufers (s. Schnittpunkt in Abb. 3.41), regt sie diese in ihrern Takt an (Resonanz). Die Annahme eines ungedampften l u f e r s in starrer Lagerung trifft unter Umstanden auf walzgelagerte (,,starre")l u f e r z. B. von Ventilatoren oder Turboverdichtern (,,ohne auBere Dampfung") zu. Fur Pumpenlaufer mit flussigkeitsbeaufschlagten Drosselspahen, flussigkeitsbeaufschlagten Entlastungseinrichtungen und im Age-

3.3 Hinuwise zur Auswahl und zum Betrieb von Kreiselpumpen und Riihwerken EIGENFREQUENZ fa (Hz)

t

loot

.

I

ERREGERFREQUENZr DREHFREQUENZ umlaufende Unwucht erregt / den Mufer im Takt seiner / /Eigenfrequenz

.

r

/ /

/

.

i

/

DREHFREQUENZ

I

I

I

I

aJ (Hz)

I

j

50

100

w- P = (c / rn)m ,,biegekritische Drehzahl" ungedarnpfter LBufer in starrer Lagerung

Abb. 3.41 Campbell-Diagramm

meinen Fall auch noch flussigkeitsgeschmiertenund -gekiihltenGleitlagern kommen durch die Steifigkeits- und Dampfungswirkung der Flussigkeit wichtige EinflussgroBen auf die ,,biegekritische Drehzahl"hinzu. Gleitlager reduzieren gegenuber Walzlagem die biegekritische Drehzahl, Spaltverschleifl- d. h. Spalterweiterung- reduziert die biegekritische Drehzahl mit Zunahme des VerschleiBes und kann somit nach endlicher Betriebszeit zu unzulassigem Schwingungsverhaltendes llufers fiihren. Die Erregung von Anlagen bzw. Anlagenkomponenten (Abb. 3.42)kann zum einen durch innerhalb der Pumpe fremderregte Schwingungen erfolgen, wie durch die schon genannte Unwucht, aber auch durch Fehler bei der Ausrichtung von Pumpe

z

..............

,....

SCHA FELPASSAGE AUSRICHTEFEHLER .....~ ~.... . ....~... . 9x

7ll

I

2x1

3.0

f

SPALTERREGUNG. LAGERERREGUNG 0.4. ..0.5 x

2.0

1.o

ROTATING STALL LEWD 0.06...0.2 x 1.0

Abb. 3.42

~

I lx

ROTATING STALL LAUFRAD, SELBSTERREGUNG O.LO.9 x

4.0

$

UNWUCHT

Erregung von Schwingungen

2.0

3.0

4.0 x Drehfrequenz (Hz)

90

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Ve+fahren und Anlagen

und Motor oder durch die so genannten Schaufelpassage (Anzahl der Laufradschaufeln ma1 Drehfrequenz) und zum anderen auch - in Abhangigkeit von Drehzahl und Arbeitspunkt - durch selbsterregte Schwingungen. 3.3.8 Regelung (s.a. Abschnitt 3.4.7)

Die Kennlinie einer Pumpe beschreibt die von der Pumpe dem Fordermedium zugefiihrte spezifische Energie (Forderhohe) in Abhangigkeit vom jeweiligen Forderstrom. Die Kennlinie einer Adage beschreibt, ebenfalls in Abhangigkeit vom Forderstrom, die dem Medium in der Anlage zuzufuhrende spezifische Energie (Forderhohe), die zur Realisierung des Anlagenprozesses erforderlich ist. Stellt man Pumpen- und Anlagenkennlinie in einem Diagramm dar, dann ist der gemeinsame Betriebspunkt von Pumpe und Anlage der Schnittpunkt der beiden KennIinien. Nur im Schnittpunkt der beiden Kennlinien liefert die Pumpe genau die Energie, die von der Adage benotigt wird (Abb.3.43). Bei Storung der Forderung mit Forderstromanderungen zu Teillast hin liefert die Pumpe mehr Energie als die Anlage aktuell "benotigt". Der Energieuberschuss wirkt auf die Stromung in der Anlage ,,beschleunigend"und damit der Storung entgegen. Bei Forderstromanderungen zu Uberlast hin wird von der Anlage mehr Energie ,,gefordert" als von der Pumpe aktuell erzeugt wird. Der Energiemangel fiihrt zu einer ,,Verzogerung"der Stromung und damit wiederum der Storung entgegen. Betriebspunkte, die auf die beschriebene Weise auf Storungen reagieren, nennt man ,,stabil". In Abb. 3.43 ist der Betriebspunkt einer Kreiselpumpe als Schnittpunkt zwischen der Anlagenkennlinie und der Pumpenkennlinie dargestellt. Die Verschiebung des

ANIAGEN-

I

QBP

' Q Abb. 3.43

Arbeitspunkt

3.3 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Kreiselpumpen und Riihrwerken

I

91

H

rl

HBP -

Abb. 3.44

Drosselregelung

Betriebspunktes kann durch Verandern der Anlagenkennlinie (Drosselregelung, Bypassregelung),durch Verbdern der Pumpenkennlinie (Drehzahlregelung,Abdrehen des Laufrades)und durch das Zusammenschalten von Pumpen (hintereinander oder parallel) erfolgen. Die Drosselregelungrealisiert einen Eingriff in d e Anlage. Bei voll geoffneter Drossel stellt sich in der Anlage z. B. der Betriebspunkt Q ein (Abb. 3 . 9 , wahrend in Abhangigkeit der Drosselstellungdie Anlagenkennlinie A bzw. B und damit die entsprechenden Betriebspunkte erzeugt werden konnen. Dies fiihrt dazu, dass bei der in Abb. 3.44 dargestellten Teillastforderung die spezifische Energie der Pumpe (Forderhohe) mit geringem Wirkungsgrad erzeugt und dann die mit dem geringen Wirkungsgrad erzeugte Energie in der Drossel "vernichtet"wird. Der Grad der ,,Vernichtung" h b g t jedoch von der Steilheit der Anlagen- und der Pumpenkennlinie ab, so dass eine pauschale Aussage nicht moglich ist. Die bezuglich der Investitionskosten relativ preiswerte Drosselregelung findet im allgemeinen in Anlagen mit uberwiegendem Volllastbetrieb bzw. Anlagen mit geringer Betriebszeit aber auch in Anlagen mit hohem geodatischenAnteil an der Anlagenforderhohe (flache Anlagenkennlinie) ihre Anwendung. Da die Drosselregelung im Normdfd die Pumpe in Richtung Teillast filhrt, sind die Belastungen der Pumpe durch Teillastbetrieb zu beachten. Die Bypassregelung stellt einen Eingriff in die Anlage dar. Eine Bypassleitung (Abb.3.45)verbindet uber eine Drossel die Pumpendruck- mit der Pumpensaugseite. Durch das Parallelschalten von Pumpe und Drossel bleibt, unabhangig von der Stellung der Bypassdrossel, der Betriebspunkt der Pumpe in erster Naherung konstant. Der Forderstrom auf der Pumpendruckseite hinter dem Bypassabzweig, der Nutzforderstrom der Anlage, resultiert aus dem Forderstrom, der sich bei geschlos-

92

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen NUTZFbRDER-

BYPASSFdRDER-

C-.-----l

I

QNUTZ

QBP

Qmax

Abb. 3.45 Bypassregelung

senem Bypass einstellen wiirde abzuglich des jeweiligen Forderstroms durch die Bypassleitung. Da der Betriebspunkt der Pumpe in erster N3herung konstant bleibt, liefert die Pumpe mehr Energie als die Anlage benotigt. Die Bypassregelung fuhrt - wie die Drosselregelung - pauschal gewertet zu einem energetisch unwirtschaftlichen Betrieb und wird, wie die Drosselregelung, bei Anlagen mit ubenviegendem Volllastbetrieb bzw. Anlagen mit geringer Betriebszeit und Anlagen mit so genannter ,,flacher" Anlagenkennlinie eingesetzt. Gegenuber der Drosselregelung besteht bei der Bypassregelung keine Gefahr, dass ungewollte Teillastzustande erreicht werden. Die Drehzahlregelung stellt einen Eingriff in die Pumpe dar. Den Ahnlichkeitsgesetzen fur Stromungsmaschinen folgend: Q x n,

H x n2, P x n3

lassen sich die an einer Kreiselpumpe fur eine diskrete Drehzahl bestimmten Kennlinien, geometrische und kinematische Ahnlichkeit vorausgesetzt,in einfacher Weise auf andere Drehzahlen umrechnen (Abb. 3.46). Die Umrechnung nach den Affbitatsgesetzen in der Form: Q x n,H x n2,P x n3 setzt streng genommen voraus, dass der Wirkungsgrad der Pumpe unabhangig von der Drehzahl konstant bleibt. Die Verluste durch Flussigkeitsreibung in der Pumpe hangen jedoch - analog den Reibungsverlusten in Rohrleitungen - auch von der Reynoldszahl ab, die sich z. B. proportional mit der Drehzahl andert. Bei groBeren Anderungen der Drehzahl ist aus dem genannten Grund zu beachten, dass die Umrechnung nur naherungsweise richtige Werte liefert und gegebenenfalls entsprechende Korrekturen beriicksichtigt werden mussen (mechanischeVerluste, wie z. B. Reibung in Lagern und Dichtungen sind zusatzlich zu beachten).

3.3 Hinweise zur Auswahl und zum Betneb von Kreiselpumpen und Ruhnvcrken

I

93

H A

DREHZAHLREGELUNG MIT Q - n und H - n 2 FOLGT

UND DAMlT

Abb. 3.46

Afhitatsgesetze

Stellt man die moglichen Arbeitspunkte der Pumpe bei Drehzahlregelung dar, d. h. stellt man die bei Drehzahlregelungmoglichen Schnittpunkte der Pumpenkennlinien (des Pumpenkennfelds) mit Anlagenkennlinien dar, dann kann der Einfluss des Verlaufs der Anlagenkennlinie auf z. B. die Energieeinsparungbei Drehzahlregelung diskutiert werden. Je nach Prozess in der Adage hat die Anlagenkennlinie ganz unterschiedliche Verlaufe (Abb. 3.47). Anlagenkennlinie B in Abb. 3.47 liefert einen durch Null gehenden parabolischen Zusammenhang zwischen Forderhohe und Forderstrom. Dieser Zusammenhang entspricht genau dem, dem auch die Affiniatsgesetze folgen, so dass sich z. B. der Betriebspunkt als Arbeitspunkt besten Wirkungsgrades bei allen Drehzahlen - als Folge des Typs der Anlagenkennlinie - automatisch einstellen muss. Betrachtet man dagegen die Anlagenkedinie A in Abb. 3.47, dann wird diese Anlagenkennlinie durch eine vom Forderstrom unabhangige Forderhohe beschrieben. Der Betriebspunkt der P u m p stellt sich als Schnittpunkt mit der Anlagenkennlinie ein. Da die Punkte besten Wirkungsgrades - den Affinitatsgesetzen entsprechend langs der dargestellten Parabel folgen, muss mit reduzierter Drehzahl - bei diesem Anlagentyp - sich automatisch Teillastbetrieb mit Teillastwirkungsgradeneinstellen. Des weiteren liefert die Pumpe - bei der Adagenkendinie nach Typ A - schon bei ca. 0,85x n nicht mehr die zum Betrieb der Pumpe erforderliche Nullpunktforderhohe. Da der Betrieb von Pumpen mit drehzahlveranderlichen Antrieben, z. B. mit Frequenzumrichtern, im allgemeinen durch eine Gesamtkostenanalysezu belegen ist, ist eine Diskussion der sich einstellenden Betriebspunkte erforderlich.

94

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen H

rl

QA

Abb. 3.47

Anlagenkennlinie und Regelverhaiten

Neben dem schon genannten Ziel, mit Hilfe der Drehzahlregelung die Energiekosten (Betriebskosten) einer Pumpe zu reduzieren, wird die Drehzahlregelung auch zum Motor-, Pumpen- und Anlagenschutz beim Anfahren der Pumpe undl oder z. B. auch bei unzulassigen kritischen Betriebsweisen (z. B. Erosion, Kavitation), wenn diese nur zeitlich begrenzt auftreten, eingesetzt. Auch der bei Kreiselpumpen (P n3, T = P/n n3/n d. h. T proportional n2)quadratisch von der Drehzahl abhangige Drehmomentverlauf verlangt, gegeniiber Verdrangerpumpen (s.a. Abschnitt 3.4.7), bei denen der Drehmomentverlauf unabhangig von der Drehzahl konstant ist ( P n, T = P/n n/n d. h. T unabhangig von n), zwischen einem Sanftanlauf mit Hilfe einer Phasenanschnittssteuerung (Abb.3.48) und einer Drehzahlregelung mit Hilfe eines Frequenzumrichters zu unterscheiden, da unter Urnsunden (s. Drehmomentverlauf von Pumpe und Motor) der Sanftanlauf im Dauerbetrieb einen fur den Motor unzulassigen Strom aufnimmt. Die Anordnung von mehreren Pumpen in eine Anlage liefert die Moglichkeit, durch Zu- und Abschalten einzelner Pumpen die Summen-Kennlinie der Pumpen beim Betrieb der Anlage zu verandern und damit den Betriebspunkt der Anlage zu beeinflussen. Die am haufigsten vorkommende Anordnung ist die Parallelschaltung von Pumpen (Abb. 3.49), da bei der Hintereinanderschaltung (Abb.3.50) die abgeschalteten Pumpen unter Energieverlust durchstromt oder mit Bypassleitungen umgangen werden miissen. Bei der Parallelschaltungvon Pumpen erhalt man die resultierende Kennlinie, indem man bei jeweils konstanter Forderhohe die Forderstrome addiert, wahrend man bei der Hintereinanderschaltung die resultierende Kennlinie ermittelt, indem man bei jeweils konstantem Forderstrom die Forderhohen addiert. In Abb. 3.49 bzw. Abb. 3.50 wird zusatzlich dargestellt, welchen Einfluss die Parallel- bzw. HintereinN

N

N

N

3.3 Hinweise zur Auswahl und zum 6etrieb yon Kreiselpumpen und Ruhnverken

t

f = const

T=NMN

un = const

TKNENN

0.5

I

,,Sanftanlauf" und Frequenzurnrichter

anderschaltung von Pumpen mit unterschiedlichen Kennlinien auf die resultierende Kennlinie hat. Auch beim Ab- oder Zuschalten von parallelgeschalteten Pumpen verschiebt sich der Betriebspunkt natiirlich kings der Anlagenkennlinie (Abb.3.51), so dass sich dabei u. U. unzulassige Dauerbetriebspunkte bei Teillast oder Uberlast einstellen konnen.

PARALLELSCHALTUNG

:t

,

PUMPE,,l" + PUMPE ,,2"

--I-_

HI =

I/

0)

0)'

0)

# -''

PUMPE,,l" bZW.

k

1

PUMPE,,2"

Qq = 4 Abb. 3.49

1

I

Parallelschaltung

.* Q3

= Q, + Q2=2 Q l

Q

I

95

l!O

0.5

Abb. 3.48

'

U s const

I L

I

Itr

96

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen H

HINTEREINANDERSCHALTUNG

Q3 Q1=

Q2 H3 =H,+H2

PUMPE 9 2 ' '

Q2 = (21, H, = HI

PUMPE ,,1" Ql, H,

Abb. 3.50

Hintereinanderschaltung

,,ZUSCHALTEN" ElNER PUMPE

H

tl

H, = H,

Q1=

Abb. 3.51

,,Zuschalten" einer Pumpe

Q,

Q3

= Q1+ a,= 2 Q l

3.3 Hinweise zur Auswahl und zurn Betrieb von Kreiselpumpen und Riihnvcrken

Zu dem Thema Parallel- bzw. Hintereinanderschaltung von Pumpen sei abschliegend darauf hingewiesen, dass u. U. auch der Ersatz (Platz im Bauktirper) einer vorhandenen durch eine groBere Maschine dann eine Lijsung sein kann, wenn sich z. B. einfach nur die Forderaufgabe zu grogeren Forderstromen hin geandert hat. 3.3.9 RUhrwerke

In der Abwasserbehandlungwerden Riihrwerke ihrer stromungstechnischenAufgabe folgend zur Aufrechterhaltung der Stromung in einer Transportleitung (z. B. in einem Umlaufbecken) oder zur Aufiechterhaltung der Stromung in einem Behdter (z. B. in einem Mischbecken)eingesetzt. Ordnet man der stromungstechnischenAufgabe - vereinfachend, als erste Ntiherung - den verfihrenstechnischen Prozess zu, dann ist die Aufgabe von Riihrwerken das Umwalzen/Fordem eines Phusengemischs (Abwasser, Schlamm, Feststoffe),wobei 0

0

der Ein- und Austritt des Riihrwerks durch eine Transportleitung (z. B. ein Umlaufbecken) entkoppelt (Abb. 3.52),wie z. B. bei Belebungsbecken mit simultaner Denitrifikation oder der Ein- und Austritt des Riihrwerks im ,Kurzschluss" in einem Behdter (z. B. Mischbecken) angeordnet (Abb. 3.52) sein kann, wie - z. B. im Bereich der Phosphafdung und der Schlammbehandlung zum Sicherstellen eines homogenen Phasengemisches (Homogenisieren) - z. B. in Regenuberlaufbecken und unbeltifteten Becken der biologischen Verfihrensstufen zum Verhindern der Sedimentation von Feststoffen und Schlammflocken (Suspendieren)

MISCHBECKEN

Abb. 3.52

Umwalren/Fiirdern

I

97

98

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfohren und Anlagen

- z. B. in Becken der biologischen Verfahrensstufen zum Verhindem des Zusam-

menballens von Schlammflocken (Suspendieren). Die genannten Einsatzbeispiele von Ruhnverken machen die unterschiedlichsten Anfordemngsprofile deutlich. Die Leistungsdaten von Riihrwerken werden wie die von Kreiselpumpen beschrieben, so ist z. B. die Nutzleistung eines Ruhnverks: PN = pgQH, rnit H = (z2- zl)

mit

(pz- p,)/pg

(P2 - Pl)/Pg

-

<< ( 2 2

0,

- +I)

da

+ (c:

fur

-

c;)/2g

die

infrage

kommenden

Anlagen

+ (4- c f ) / 2 ist.

Die vom Riihrwerk an die Anlage zu ubertragende Nutzleistung, die zur Realisierung des Prozesses in der vorgegebenen Anlage erforderlich ist, muss unabhangig vom Typ des gewahlten Ruhnverks gleich sein. Wie bei Kreiselpumpen kann auch bei Ruhnverken eine diskrete Nutzleistung P, mit grogem Massenstrom p Q und geringer Forderhohe H oder mit geringem Massenstrom pQ und groger Forderhohe H an die Forderflussigkeit ubertragen werden. Der Forderstrom Q ist ein Mag fur die zur Abstromebene des hufrads senkrechten Geschwindigkeitskomponenten (und umgekehrt) und die Forderhohe H, wegen der freien Abstromung des Laufrads, dem Arbeitsprinzip von Kreiselpumpen entsprechend, fur die Geschwindigkeitskomponenten in Umfangsrichtung (und umgekehrt). Ebenso wie bei Kreiselpumpen werden bei Anwendungen mit im Verhaltnis zur Forderhohe geringem Massenstrom ,,radiale" hufrader (Abb. 3.53) und bei Anwendungen mit im Verhdtnis zum Massenstrom geringer Forderhohe ,,dale" hufrader eingesetzt (Abb. 3.53), die der jeweiligen Anwendung angepasst werden. RUHRWERK MIT ,,RADIAL" LAUFRAD (SCHEIBENLAUFRAD)

Abb. 3.53

Laufrader von Ruhrwerken

RUHRWERK MIT ,,AXIAL" LAUFRAD (PROPELLERIAUFRAD)

3.3 Hinweise zur Auswahl und zurn Betrieb von Kreiselpurnpen und Ruhnverken

Bei Riihrwerken muss, je nach Anwendungsfall, die an die Forderflussigkeit ubertragene Leistung entweder eine vorgegebene Transportgeschwindigkeitlangs der gesamten Transportleitung (z. B. Gerinne) oder einen das gesamte Beh3tervolumen ,,urnwakenden" Stromungszustand sicherstellen. Dabei konnen die in den Anlagen erzielten Ergebnisse erheblich von den angestrebten Ergebnissen abweichen, wenn die physikalischen (z. B. Viskositat) und ggf. chemischen Eigenschaften des im Becken vorhandenen Phasengemischs, die Beckenform und die Riihrwerksanordnung im Becken nicht beriicksichtigt wurden. Dies ist einer der Griinde dafur, dass Riihrwerke nicht losgelost von der Riihraufgabe ausgewddt werden sollten. Da die Auslegung von R ~ r w e r k e nf3r die unterschiedlichsten Anwendungen und Anforderungen sehr stark auf experimentelle Ergebnisse aus Modellversuchen bzw. Erfahrungen mit ausgefiihrten Anlagen aufbaut, ist zur Ubertragung dieser Ergebnisse/Erfahrungen auf ,,andere MaBsube" die Ahnlichkeitsmechunik von besonderer Bedeutung. Geometrisch ghnliche Riihrwerke (geometrischeiihnlichkeit) folgen bei finlichen Zustrombedingungen (kinematische Ahnlichkeit), ebenso wie Kreiselpumpen, den Afinititsgesetzen, d. h. Q nd3,H n2d2und PN pn3ds,wenn die Reynoldszahl Re, = cd/v, die Froudezahl Fr, = c2/2ghkonstant (dynamischeAhnlichkeit)und die Stoffeigenschaften (Kavitationszustand, Gasgehalt, usw.) ahnlich bleiben. Aus der Nutzleistung PN p 3 d Swird die sogenannte Newtonzahl Ne (Leistungskennzahl)

-

-

-

-

Ne

=

PN/pn3d5

aus dem Forderstrom Q

-

nd3 die sogenannte Lieferzahl cp

a, = Q / n d 3

und aus der Reynoldszahl Re, = c d / v mit c

-

nd die Reynoldszahl Re,

Re,, = n d 2 / v abgeleitet. Sind Newtonzahl Ne (PN= Ne pn3d5)und Lieferzahl cp(Q = 9 n d 3 )bei der aktuellen Reynoldszahl Re, h r ein Riihrwerk bekannt (Abb. 3.54),dann konnen daraus unendlich viele Riihrwerke mit ,anderen Magsuben" und damit anderen Leistungsdaten, unter Einhaltung der Grenzen der Ahnlichkeitsmechanik, d. h. fur physikalisch ahnliche Anwendungen, abgeleitet werden. Eine weitere Kennzahl, die bei der Ubertragung von Riihrwerken auf grogere oder kleinere Nutzleistungen (bei geometrischer und kinematischer Ahnlichkeit) besondere Bedeutung hat, ist die Schubkennzahl k, bzw. k*,. Sie folgt aus dem f i r eine konstante Stromungsgeschwindigkeit cs erforderlichen Propellerschub Fs = P N / c S= p g Q H / c , = p g Q H A , / Q = pgHA, p(n2d2)d2zu

-

k,

= Fs/p(n2dz)d2

100

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

bzw. mit cs

k;

N

n2d2 und A,

N

d2 zu:

= F,/pA,c;

Aus der experimentell bestimmten Schubkennzahl kl kann der Propellerschub F, fur physikalisch ahnliche Anwendungen berechnet werden: F, = k*,pA,c:. Die spezifische Leistungsdichte E : E = P,/pV bzw. die Leistungsdichte E ~ eR = PN/V sind dimensionsbehafiete Kennwerte, die die Ruhnverksleistung bezogen auf das Beckenvolumen V beschreiben, d. h. der Beschreibung der auf die Flussigkeit in einem Becken des Volumens V ubertragenen Leistung P, dienen. In der Abwasserbehandlung werden Riihnverke im Bereich eR = 2...20 Wm-3 eingesetzt. In Abb. 3.54 ist der typische Einfluss der Reynoldszahl (Viskositat)fur Newtonsche Flussigkeiten fiir ein diskretes Ruhnverk dargestellt (s.a. Abschnitt 3.2.1). Im Bereich voll ausgebildeter turbulenter Stromung bei grogen Reynoldszahlen ist die Newtonzahl Ne nahezu konstant, d. h. ab einer bestimmten Reynoldszahl, der sogenannten kritischen Reynoldszahl Ren,krit, muss der Einfluss der Reynoldszahl nicht mehr beriicksichtigt werden. Fur Reynoldszahlen kleiner wird mit abnehmender Reynoldszahl, u. U. nach einem Ubergangsgebiet, die Stromung laminar, wobei die Newtonzahl stark ansteigt. Die kritische Reynoldszahl ist a b h w i g vom Typ und von der Ausfuhmng des Rduwerks und liegt im Bereich Re, = l o3...105. Werden Riihnverke in Nicht-Newtonschen Flussigkeiten eingesetzt (s.a. Abschnitt 3.2.1), dann ist die Abhangigkeit der Viskosiut von der Schergeschwindigkeit zu beachten. Nicht-Newtonsche Fliissigkeiten weisen haufig ein strukturviskoses (pseudoplastisches) Verhalten auf, d. h. die Viskositat nimmt mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab. Besonders zu beachten sind Riihnverksaufgaben mit Binghamschen Flussigkeiten, bei denen erst oberhalb einer Grenzschubspannung, der FlieBgrenze, die Flussigkeit zu flieBen beginnt. Nach Uberschreiten der FlieBgrenze verLieferzahl

Leistungskennzahl 4 Ne 10

cp4 Laufrad: Typ xy

Reynoldszahl Re, I

I

I

:

3.4 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb yon Vcrdrangerpumpen

halten sich Binghamsche Fliissigkeiten dann im allgemeinen wie strukhwiskose Fliissigkeiten. Kann ein RArwerk die FlieBgrenze einer Binghamschen Fliissigkeit nicht iiberwinden, dann findet die vom Riihrwerk ausgeloste Stromung praktisch nur in der N3he des Rihrwerks statt und die Riihrwerksaufgabewird nicht erfiillt. Ebenso kann bei strukturviskosen Fliissigkeiten der Bereich der Umwdzung dadurch begrenzt sein, dass mit der Entfernung vom Riihrwerk die Viskosiut stark zunimmt und einen so hohen Widerstand fur die Stromung darstellt, dass z. B. an den Wanden oder an der freien Oberflache keine Bewegung stattfhdet. Um den Einfluss NichtNewtonscher Fliissigkeiten auf die Rihrwerksleistung zu beriicksichtigen, wird eine modifizierte Reynoldzahl Ren,md

eingefiihrt, wobei die effektive Viskosiut v, z. B. nach Metzner und Otto berechnet wird. Wie schon ausgefiihrt, sollte die Auswahl von Riihrwerken nur in Verbindung mit der Riihraufgabe, d. h. in Zusammenarbeit von Hersteller und Betreiber, erfolgen. Nur dadurch ist gew&rleistet, dass die physikalischen (z. B. Viskosiut) und ggf. chemischen Eigenschaften des umzuwdzendenlzu fordernden Phasengemisches, die Beckenform unter Beriicksichtigung von Einbauten und die Riihrwerksanordnung im Becken beriicksichtigt werden.

3.4

Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Verdrangerpumpen 3.4.1

Kennlinien von Verdhgerpumpen

In Verdrangerpumpen (s.a. Abschnitt 3.1) wird in einem geometrisch definierten Arbeitsraum Fliissigkeit auf der Saugseite der Pumpe eingeschlossen, das eingeschlossene Fliissigkeitsvolumen - konzeptionell ohne zu strornen, uls Teil des Arbeitsruurns - mit oder ohne Druckerhohung zur Druckseite transportiert und dann aufder Pumpendruckseite, mit oder ohne Druckerhohung durch Druckausgleich, auf die Forderung bezogen mehr oder weniger pulsierend, ausgeschoben. Der Arbeitsraum wird zum einen durch das Pumpengehause und zum anderen durch Verdrangerkorper wie z. B. Kolben, Membranen, Spindeln, Fliigel, Z&ne gebildet, die sich innerhalb des Gehauses bewegen und Dichtkanten oder Dichtflachen mit dem Gehause bilden, um den Arbeitsraum zum Pumpengehause und zur Druck- bzw. zur Saugseite der Pumpe abzuschliegen (abzudichten). Der Bewegung der Verdrkgerkorper folgend unterscheidet man zwischen oszillierenden und rotierenden Verdrangerpumpen. Der theoretische Forderstrom (Abb. 3.55) von oszillierenden Verdrangerpumpen berechnet sich aus dem Arbeitsvolumen pro Umdrehung (Hubvolumen)und der Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit, d. h. der Drehzahl der Pumpe. In der gleichen Weise wird der theoretische Forderstrom von rotierenden Verdrangerpumpen be-

I

lol

102

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

V, A, h n

Hubvolumen Kolbenflkhe Hub [h = h(t)] Drehzahl Qhm

Abb. 3.55

= V h n =A, h n

Vu n

Arbeibvolumen pro Umdrehung Drehzahl Qthw=Vun

Oszillierende bzw. rotierende Verdrangerpumpe

stimmt, d. h. aus dem Arbeitsvolumen pro Umdrehung und der Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit, d. h. der Drehzahl der Pumpe. Aus der genannten Abhangigkeit des Forderstroms und der nur geringen Kompressibilit2t von Flussigkeiten folgt, dass der theoretische Forderstrom von Verdrangerpumpen praktisch unabhangig vom Gegendruck der Pumpe ist. Die geringe Kompressibilitat von Flussigkeiten ist auch der Grund dafur, dass mit oszillierenden Verdrangerpumpen durch einen geringen Hub des Kolbens groBe und groBte Forderhohen erzeugt werden konnen. Die Grenzen sind durch die Festigkeit der Pumpe und die durch den Antriebsmotor zur Verfugung gestellte Leistung gegeben. Durch ungewolltes Absperren oder durch Verstopfen der Druckleitung konnen die genannten Grenzen schnell erreicht werden (internes oder externes Druckbegrenzungsventilerforderlich). Der vom geometrisch erzeugten Arbeitsraum (BaugroBe) und von der Drehzahl (s. Pulsation, Kavitation, Viskositat usw.) bestimmte Forderstrom fuhrt zusammen mit den im Verhaltnis zum Forderstrom groBen Forderhohen zu den zunachst bezuglich der Leistungsdaten typischen Einsatzgebieten von Verdrangerpumpen, die in Abb. 3.56 dargestellt sind. Aus dem Arbeitsprinzip der Verdrangerpumpen lassen sich gegenuber Kreiselpumpen zusatzliche Merkmale ableiten, durch die Verdrangerpumpen (konzeptionell ,,ohne Stromung") zur Forderung von hochviskosen undloder gashaltigen Flussigkeiten oder auch zur schonenden Forderung besonders geeignet sind. Eng mit dem Arbeitsprinzip ist auch das Ziel einer moglichst ,,idealen Abdichtung" des Arbeitsraumes verbunden. Daraus folgt als Vorteil der Verdrangerpumpen ein im allgemeinen gutes Selbstansaugeverhalten,aber auch als Nachteil eine starke Abhangigkeit der Eigenschaften von Verdrangerpumpen von der Qualitat und dem Zustand der Abdichtung. So ist das Mitfordern von Feststoffen, die den VerschleiB von Dichtkanten oder Dichtflachen bewirken, nur begrenzt bzw. nur mit einer dieser Belastung angepassten technischen Losung moglich. Anderenfalls wird, bedingt durch im Verhaltnis zum theoretischen Forderstrom u. U. groBe Leckagestrome und damit stark reduzier-

3.4 Hinweisc zur Auswahl und zum Betrieb von Verdrdngerpurnpen

100000 Verdrtlnger-

1000

100

pump.n

Chemie-Nonnpumpen (elnstufb, redial)

-17

einstufige radiale Kreiselpumpen

v I

I

,,

I Halbaxialpumpen

Axialpumpen

lo 10.001 Abb. 3.56

0.1

1

10

100

1000

10000

Q (m31h) 100000

Einsatzbereiche

tem realem Forderstrom, die Forderaufgabe nicht e M t . Weiterhin fiihrt dies durch den Abfall des sogenannten volumetrischen Wirkungsgrads der Pumpe zu einem Abfall des Gesamtwirkungsgrades. Der volumetrische Wirkungsgrad stellt das Verhdtnis aus realem zu theoretisch erreichbarem Forderstrom dar. Er beriicksichtigt damit die schon genannte Leckage aus dem Arbeitsraum, aber auch die Kompressibilittit der Flussigkeit und die Elastizitat der Arbeitsraumwande (Abb. 3.57). In Abb. 3.57 ist die theoretische und die reale Kennlinie von Verdrangerpumpen zusammen mit einer Anlagenkennlinie dargestellt. Auch hier, wie bei den Kreiselpumpen, ist der Schnittpunkt der Anlagenkennlinie mit der Pumpenkennlinie der Arbeitspunkt der Pumpe und der Anlage. G m d satzlich besteht die Moglichkeit, eine Verdrangerpumpe bezuglich ihres Forderstroms an veranderte Betriebsverhdtnisse anzupassen. Dazu kann entweder in die Anlage (Bypassregelung) oder in die Pumpe (Drehzahlregelung, Hubventellung) eingegriffen werden (s.a. Abschnitt 3.4.7 und Kapitel 16). Bei oszillierenden Verdrangerpumpen ist der Arbeitsraum, im Unterschied zu rotierenden Verdrangerpumpen, mit dem saugseitigen Teil der Anlage iiber ein Saugventil und mit dem druckseitigen Teil der Anlage uber ein Druckventil verbunden. Saug- und Druckventil miissen zum richtigen Zeitpunkt offnen und schlieBen und in der Zeit dazwischen dicht sein. Der Zeitpunkt des Offnens bzw. SchlieBens der Ventile ist eng an die Bewegung des Kolbens, d. h. an den sogenannten Saug-bzw. Druckhub, gekoppelt. Mit Hilfe des Indikatordiagramms Abb. 3.58 wird das Arbeitsprinzip oszillierender Verdrangerpumpen besonders einfach deutlich. Im Saughub bei Zulaufdruck offnet das Saugventil und der Arbeitsraum fiillt sich mit Forderme-

I

103

104

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Vefahren und Anlagen H A

KENNLlNlE (n = const) I

ANIAGEN-

_ _ / - -

KOMPRESSIBILITATDER FLUSSIGKEIT, EIASTWTAT DER ARBEITSRAUMWANDE, LECKAGEN

rl" =

%P

Abb. 3.57

Q'Q,,,

&en

Volurnetrischer Wirkungsgrad

d i m . Kehrt der Hub vom Saughub in den Druckhub um, dann steigt der Druck im Arbeitsraum an, wodurch zunachst das Saugventil schlieBt. Durch den warend des Druckhubes weiter ansteigenden Druck offnet das Druckventil, wenn der Druck im Arbeitsraum der Pumpe auf den Gegendruck der Pumpe angestiegen ist. Dam ist bei der geringen Kompressibili~tvon Fliissigkeiten nur ein geringer Teil des gesamten Druckhubes erforderlich. Bei geoffnetem Druckventil, d. h. bei konstantem Druck, OSZILLIERENDE VERDUNGERPUMPE

UB

Fordergrad q = 1.O

DRUC (bar;

b

-

HUB (mm) Abb. 3.58

lndikatordiagrarnrn oszillierender Verdrangerpurnpen

3.4 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Verdriingerpumpen

Abb. 3.59 Forderstrorn oszillierender Verdrangerpurnpen

Q

(m3/h)

I

,1180 01,

270

90

\'

r

Q

("1

SAUGHUB

DRUCKHUB

wird im weiteren Verlauf des Druckhubes das Fordermedium in die Adage ausgeschoben. Kehrt der Hub vom Drudchub in den Saughub um, dann fdlt der Druck im Arbeitsraum ab, wodurch zunachst das Druckventil schlieBt. Durch den wihrend des Saughubes weiter abfallenden Druck wird im Arbeitsraum der Zulaufdruck (Saugdruck) der Pumpe erreicht und das Saugventil offnet, so dass bei geoffnetem Saugventil, d. h. bei konstantem Druck, im weiteren Verlauf des Saughubes das Fordermedium den Arbeitsraum fiillt. Die axiale Bewegung des Kolbens erfolgt bei einer grogen Zahl von oszillierenden Verdrangerpumpen mit Hilfe eines Geradschubkurbelgetebes, bei dem sich die Kolbengeschwindigkeit in Abhangigkeit der Zeit/Kurbelwinkel theoretisch (Annahme qv = 100%)sinusformig andert. Aufgrund der sich sinusformig mit der Zeit andernden KolbengeschwindigkeitcKhdert sich auch der Forderstrom (Q = cKA= cA) sinusfdxmig (Abb. 3.59). Der Forderstrom oszillierender Verdrangerpumpen ist stark pulsationsbehaftet. Wahrend einer Wellenumdrehung erf2hrt ein diskretes Flussigkeitsvolumen (Hubvolumen) bei der im allgemeinen ungleichformigen Bewegung des Verdrbgerkorpers (Kolben)nacheinander die Arbeitstakte ,,Expandieren,Ansaugen" und ,,Komprimieren, Ausschieben", wobei maximal nur uber eine halbe Wellenumdrehung (im Saughub, d. h. bei "Expandieren, Ansaugen" geschlossenes Druckventil) gefordert wird. Bei rotierenden Verdrangerpumpen findet eine gleichformige Bewegung (Rotation) des Verdrangerkorpers mit den Arbeitstakten "Ansaugen" und ,Ausschieben", bezogen auf die Forderung nahezu ohne Unterbrechung, statt. Wihrend einer Wellenumdrehung offnen bzw. schliegen quasi parallelgeschaltete Arbeitsraume, je nach Bauart, mehr oder weniger kontinuierlich (Abb. 3.60).

I

105

106

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

A

Q (m3lh) rotierende Verdrangerpump

Qm

t (s) I

Abb. 3.60

1

I

b

Forderstrorn oszillierender bzw. rotierender Verdrangerpurnpen

Die in Abb. 3.55 dargestellte Kreiskolbenpumpe zeigt zwei miteinander bewegte parallelachsige Rotoren (Kreiskolben), die die ihrer Form entsprechenden Arbeitsraume abgrenzen und das Fordermedium in Umfangsrichtung fordern. In der Abwassertechnik werden im allgemeinen die beiden Rotoren durch einen Spalt voneinander getrennt und durch ein augenliegendes Getriebe synchronisiert. Dies macht die Pumpen unempfindlich gegenuber Trockenlauf und reduziert den VerschleiB im Bereich der Spalte. Die verschiedenen Ausfiihrungen von Kreiskolbenpumpen unterscheiden sich untereinander in der Form und Anzahl der Kolben des Rotors und in der Art der Abdichtung zwischen den Rotoren. Eine weitere in Umfangsrichtung fordernde rotierende Verdrangerpumpe ist die sogenannte Schlauchpumpe, bei der periodisch abgequetschte Arbeitsraume/ Schlauchraume die Forderung ubernehmen und fur die Abdichtung zwischen Hochdruck- und Niederdruckseite sorgen. Das Abquetschen des Schlauches wird durch Rollen, die auf einem rotierenden Trager angeordnet sind, durch mit einer Welle rotierende Gleitschuhe oder durch auf den Schlauch driickende Membranen realisiert. Die Exzenterschneckenpumpe gehort in die Gruppe der in axialer Richtung fordernden rotierenden Verdrangerpumpen. Ihr Rotor ist als Spindel ausgefiihrt, der Stator ist ein aus Elastomer bestehendes Gehause mit schraubenformigem Hohlraum mit Langlochquerschnitt. Die Mittelachse des Rotors kreist um die Mittelachse des Stators, d. h. der Antrieb des Rotors muss uber eine Gelenkwelle (Abb. 3.61) oder ein elastisches Kupplungsstiick erfolgen. An den Kontaktstellen zwischen Rotor und Stator presst sich der Rotor leicht in den Stator, so dass sich der Rotor ohne Spiel im Stator dreht (Spaltverluste Null) und der Stator sich dabei elastisch verformt. Auch im Fordermedium enthaltene abrasive Feststoffe fiihren an diesen Stellen zu einem verschleigarmen elastischen Nachgeben der Statoroberflache,wobei im allgemeinen der Rotor aus verschleigbestandigem Material besteht. Damit umfasst der Einsatzbereich

3.4 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Verdrilngerpumpen

Abb. 3.61

kenterschneckenpumpe

von Exzenterschneckenpumpen nieder- und hochviskose Fordermedien, die sowohl mit abrasiven wie auch mit faserhaltigen oder ungelosten Gasen belastet sein konnen. Die Kennlinien von Verdrangerpumpen zeigen eine im Vergleich zur Kreiselpumpe mehr oder weniger ,steife" Kendinie, d. h. bei sich anderndem Gegendruck ist die Anderung des Forderstroms mehr oder weniger gering. Dabei d a d nicht vergessen werden, dass der Forderstrom auch bei konstantem Gegendruck, bei oszillierenden Verdrangerpumpen mehr und bei rotierenden Verdrangerpumpen weniger, pulsierend erfolgt (Abb.3.60). Dies fuhrt in dem von der Antriebsmaschine, im allgemeinen ein Elektromotor, zur Verfiigung gestellten Drehmoment zu einem mehr oder weniger pulsierenden Verlauf (Abb.3.62),was bei der Auswahl der Antriebsmaschine zu beriicksichtigen ist. Bei rotierenden Verdrangerpumpen ist zu beachten, dass die Leckage mit dem Gegendruck bei geringer ViskosiBt des Fordermediums deutlich zunimmt und die Leckage die Groge des theoretisch erreichbaren Forderstroms erreichen kann, d. h. die Pumpe nicht mehr nach a d e n in die Anlage fordert. Mit zunehmender Viskosit;it (s. Abschnitt 3.4.2) nimmt bei gleichem Gegendruck die Leckage ab, damit nimmt der volumetrische Wirkungsgrad zu und damit auch der Gesamtwirkungsgrad.

AT~NENN

oszillierende Verdrtlngerpumpe (i = 1)

ZElTlKURBELWNKEL Abb. 3.62 Drehmomentverlauf oszillierender Verdrangerpumpen

I

107

108

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

3.4.2 Feststoffgehalt/ViskosiUt (s.a. Abschnitte 3.2.1 und 3.3.2)

Liegt das Fordermedium nur in seiner flussigen Phase (Aggregatzustand),d. h. einphasig, vor, dann ist die Viskosittit des Fordermediums von der Temperatur, dem Druck und u. U. der sogenannten Schergeschwindigkeit abhangig. Besteht das Fordermedium aus Flussigkeit als der einen Phase (Aggregatzustand)und aus Feststoffen des gleichen oder eines anderen Stoffes als weiterer Phase (Aggregatzustand), dann findet ,Mehrphasenforderung" mit einer zusatzlich von der Feststoffkonzentration abhangigen Viskosittit statt. Die Feststofflonzentration einer Flussigkeit, gekennzeichnet durch die Volumenoder die Transportkonzentration der Feststoffe, beeinflusst mit der Anderung der Viskositat (s. Abschnitt 3.2.1) und des spezifischen Gewichts der Mischung zum einen die Leistungsdaten der Pumpe und zum anderen durch den Kontakt der einzelnen Feststoffpartikel mit den Pumpenbauteilen den Verschleig der Pumpe. Liegen die Feststoffe als disperse Phase, wie z. B. bei Schlammen, in einer die disperse Phase kontinuierlich umgebenden Flussigkeit vor und sind die Feststoffe homogen verteilt, dann verhat sich eine dadurch veranderte Viskositat des Fordermediums wie schon unter dem Thema Viskosi~tbeschrieben (Abb.3.47). Die Anderung der Dichte mit der Feststoffkonzentrationdes Gemisches fhhrt wegen P, = pgQH in erster Linie zu einer Anderung der Leistungsaufnahme der Pumpe. In Abb. 3.9 sind die heute ublichen Grenzen eines wirtschaftlichen Pumpenbetriebes in Abhangigkeit von der Viskositat dargestellt. Danach sollte fur Viskositaten v > 250 mm2/s (1 cSt = 1 mm2/s), wenn nicht andere als wirtschaftliche Griinde vorliegen (v < 1000 mm2/s technisch realisierbar), die Forderaufgabe von Verdrangerpumpen und nicht von Kreiselpumpen ubernommen werden. So fallt fur Kreiselpumpen (Abb.3.63) der Wirkungsgrad mit zunehmender Viskositat ab (Stromungsverluste), wahrend der von rotierenden Verdrangerpumpen (Spaltverluste)zunimmt.

100

--


rotierende

80 --

60 --

40

-.yz:.

--

,Kreiselpumpe

\

--

nq

20

.ll'

.

\

\

klnematische Viskositat (mm2/s) t

3.4 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Verdrangerpumpen

Um den VerschleiB bei rotierenden Verdrangerpumpen zu reduzieren, werden z. B. bei Kreiskolbenpumpengummierte Drehkolben mit definiertem Abstandsspalt (Synchronisationsgetriebe) und verschleigfesten Gehiuseauskleidungen, bei Exzenterschneckenpumpen harte Rotoren mit harten Statoren oder harte Statoren mit elastischen Rotoren (schadloses Eindringen von abrasiven Feststoffen) kombiniert. Bei oszillierenden Verdrangerpumpen kann das Verschleigrisiko durch Reduktion der zulassigen Drehzahl, insbesondere aber auch durch entsprechend widerstandsfahige Ventilausfiihrungen begrenzt werden. 3.4.3 Kavitation (s.a. Abschnitte 3.2.2.1 und 3.3.4)

Von der Anlage wird der Verdrangerpumpe an ihrem Eintritt ein Zulaufdruck (Systemdruck, Saugdruck)zur Verfugung gestellt, der einen mehr oder weniger grogen Abstand zum Dampfdruck der Flussigkeit aufweisen muss und der im sogenannten NPSH-Wert der Anlage: NPSH = NPSHA dokumentiert wird. Der erforderliche Abstand zum Dampfdruck, die sogenannte Sicherheit vor unzulassiger Kavitation der Pumpe, hangt von dem h r die Pumpe zulassigen NPSH-Wert: NPSH = NPSHR ab, da die Forderung NPSHA 2 NPSHR f heinen sicheren Betrieb der Pumpe erfiillt werden muss. Der Einfluss von Kavitation auf das Forderverhalten von oszillierenden Verdrangerpumpen lasst sich im Indikatordiagramm Abb. 3.64 darstellen. Im Saughub bei Zulaufdruck offnet das Saugventil und Fliissigkeit stromt in den Arbeitsraum, d. h. fi,illt den Arbeitsraum. Fdlt dabei durch Druckverlust oder zu starke Beschleunigung der Flussigkeit der statische Druck auf den zur Temperatur der Flussigkeit gehorenden

KAVITATION DRUCK F~RDERPHASE

FALL I: NPSHA = NPSHA I FALL 1I:NPSHA = NPSHA II -c NPSHA I

ANSAUGPHASE HUBREIT

Abb. 3.64

Einfluss der Kavitation im lndikatordiagramm

110

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

Fordergrad q = 1.0

Abb. 3.65

Einfluss der Kavitation im lndikatordiagramm

Dampfdruck ab, verdampft ein Teil der Flussigkeit und der Arbeitsraum fiillt sich nicht nur mit Flussigkeit, sondern auch mit Dampf. Bei dem dem Saughub folgenden Druckhub bewegt sich der Kolben durch das Dampf-Flussigkeits-Gemischhindurch, wobei der Druck im Arbeitsraum zunachst durch Kompression des Dampfes auf den Dampfdruck erhoht wird, so dass der Dampf kondensiert und nur noch Flussigkeit im Arbeitsraum vorliegt. Danach, in Fortsetzung des Druckhubes, erfolgt der Druckaufbau bis zum Offnen des Druckventils und dann das Ausschieben, d. h. die Forderung. Im Indikatordiagramm wird deutlich, dass natiirlich nur der nach Offnen des Druckventils verbleibende Resthub zur Forderung beitragt, d. h. gegenuber dem theoretischen Forderstrom ein Forderstromabfallerfolgt, der als Abfall des sogenannten Fordergrads q = Q/Qth,, dargestellt wird (Abb.3.65). Auch bei rotierenden Verdrangerpumpen muss in der Zeit des sich offnenden Arbeitsraums Flussigkeit auf der Saugseite in den Arbeitsraum einstromen. Dabei erfihrt die einstromende Flussigkeit den aus den Stromungsverlusten und zusatzlich den aus der Massenbeschleunigung der Flussigkeit resultierenden Druckabfall. Ebenso wie bei den oszillierenden Verdrangerpumpen hangt der Druckabfall von der Viskositat der Flussigkeit und der Kinematik des sich auf der Saugseite offnenden Arbeitsraumes ab. Der maximale Druckabfall, bei gleicher Geometrie und Drehzahl, nimmt mit dem in den Arbeitsraum einstromenden Forderstrom zu (Abb.3.66). Fallt der Druck im Arbeitsraum auf den zur Temperatur der Flussigkeit gehorenden Dampfdruck ab, bildet sich die sogenannte Arbeitsraum-/Schopfraumkavitation aus, durch die der Arbeitsraum mehr oder weniger mit Dampf gefullt wird. Neben der Arbeitsraum-/Schopfraumkavitationkann bei rotierenden Verdrangerpumpen

3.4 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb uon Verdrangerpumpen

I

l’l

H

NPSH

Abb. 3.66

Einfluss der Kavitation bei rotierenden Verdrangerpurnpen

Kavitation im Spalt bzw. in den Spalten auftreten. Da mit zunehmendem Gegendruck die Spaltdruckdifferenzund damit der Spaltstromund die Stromungsgeschwindigkeit im Spalt groBer werden, wird der zur Spaltkavitation ftihrende Druckabfall erst bei groBeren Druckdifferenzen, d. h. bei groBeren Forderhohen auftreten. Zieht man, wie in Abb. 3.66 dargestellt ist, von dem von der Anlage zur Verfugung gestellten NPSH-Wert: NPSH = NPSHA die Summe aus dem Druck-IDruckhohenabfall C HV,Eaus Stromungsverlusten und Massenbeschleunigung beim FUen des Arbeitsraumes und den aus der Spaltstromung ab, dann erhalt man erste Aussagen, einen mit Forderstromreduktion verbundenen sehr ausgepragten Kavitationszustand betreffend, uber den Kavitationszustand in der Pumpe. Fiir NPSHA > C HV,Ef u t der Druck in der Pumpe nicht auf den Dampfdruck ab und der Forderstrom wird nicht durch Kavitation beeinflusst. Fiir NPSHA > C HV,E fallt der Druck in der Pumpe auf den Dampfdruck ab und der Arbeitsraum wird zum Teil mit Dampf gefdllt, so dass der Forderstrom gegeniiber dem ohne Kavitation, d. h. dem theoretisch erreichbaren, reduziert wird. Da Folgen der Kavitation nicht nur den Forderstrom betreffen, sondem auch zu VerschleiB, Schwingungenund Gerauschen fiihren konnen und das Ganze auch noch in nicht vemachlassigbarem MaBe von der Viskositat abhangt, sollte, wie bei den Kreiselpumpen, der vom Pumpenhersteller anzugebende fiir die Pumpe zdassige NPSH-Wert: NPSH = NPSHR beriicksichtigt werden, um die Forderung NPSHA 2 NPSHR zu erfiillen. Wird in der zur Verfiigung stehenden Zeit der Arbeitsraum von Verdrangerpumpen nicht vollsandig gefiillt, weil die Viskositat zu hoch (Beschleunigung der Flussigkeit zu gering) undloder die Zeit des Offnens zu kurz (Drehzahl der Pumpe zu hoch) ist, kann der Druck im Arbeitsraum, mit der relativen VergroBerung des nicht

112

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verjahren und Anlagen

Pumpendrehzahl 100

80 60 40 20

kinematische Viskositat (mm2Is) 25

I

I I

250

2500

b

25000

Abb. 3.67 Viskositatsabhangige Drehzahlanderung rotierender Verdrangerpumpen (Kavitation)

mit Flussigkeit zu fiillenden Teils des Arbeitsraums, auf den Dampfdruck abfallen und Flussigkeit verdampfen. Dies ist der Grund dafiir, dass mit zunehmender Viskosiut die Drehzahl reduziert wird, wie in Abb. 3.67 am Beispiel einer rotierenden Verdrangerpumpe dargestellt ist. 3.4.4 Ungeleste (fieie) Case

(5.

a. Abschnitte 3.2.2.2 und 3.3.3)

Die Mitforderung von ungelosten Gasen in Flussigkeiten fdlt unter den allgemeinen Begriff ,,Mehrphasenforderung", bei der verschiedene Phasen (Aggregatzustande) nur eines Stoffes undloder Phasen (Aggregatzusunde) verschiedener Stoffe zur gleichen Zeit gefordert werden. Die Mehrphasenforderung kann einen gewollten aber auch einen ungewollten Prozesszustand darstellen. So stellt die Gasmitforderung in Fliissigkeiten durch Gaseinpressung (Begasung) oder chemische Reaktionen einen gewollten Prozesszustand dar, Gasleckage in die Flussigkeit, Ausbildung von gasgefullten Oberflachenwirbeln, Ausgasen der Flussigkeit infolge Druckabfd oder Temperaturerhohung und Gasmitforderung nach Entleerung von Pumpen oder Anlagen bzw. - komponenten einen ungewollten. Die Folgen der Gasmitforderung sind Forderstromabfall (Zusammenbruch der Forderung), Trockenlauf von Dichtungen (falls im Arbeitsraum) infolge Phasenseparation, Trockenlauf oder auch Mangelkuhlung/-schmierungvon Gleitlagern, unzulassige Krafte, Schwingungen, Gerausche und VerschleiB. Zur Beschreibung der Hohe des Gasgehaltes wird z. B. der volumetrische Gasgehalt E mit E = V J ( V,, V,) angegeben.

+

3.4 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Verdriingerpumpen 1113

Fbrdergrad q = 1.O

I

b

HUB (rnm) Abb. 3.68 Casmitforderung

Bezuglich des Einflusses auf den Forderstrom verhalten sich ungeloste (freie) Gase ebenso wie die schon beschriebene Kavitation. Stromt beim Ansaugen nicht Fliissigkeit in den Arbeitsraurn sondern Gas, dann fiillt Gas den entsprechenden Anteil des zur Verfiigung stehenden Arbeitsraums aus, der dann natiirlich nicht zur Fiillung rnit Fliissigkeit zur Verfiigung steht. Beirn Ausschieben kann nur die Fliissigkeit in die Adage stromen, die am Pumpeneintritt angesaugt wurde, so dass der bezuglich des Arbeitraumes theoretisch erreichbare Forderstrom nicht erreicht wird. Es kommt zu einem Fordergradabfall, wie in Abb. 3.68 fin eine oszillierende Verdrangerpumpe dargestellt ist. 3.4.5

Wellenabdichtungen (s.a. Abschnitt 3.3.6 und Kapitel 4)

Die Wellenabdichtung,h e r werden nur rotierende Verdrangerpumpen betrachtet, hat aus wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Griinden eine besondere Bedeutung. Die Wellenabdichtung ist generell ein Funktionsteil und damit mitbestimmend fur die Verfiigbarkeit einer Pumpe. Ganz allgemein sollen Wellenabdichtungen einen hohen VerschleiB- und Korrosionswiderstand auheisen. Neben Stopfbuchsabdichtungen und so genannten einfach wirkenden Gleitringdichtungen werden insbesondere auch doppelte Gleitringdichtungen in Tandemausfiihrung(Quench)und doppelt wirkende Gleitringdichtungen (mit Sperrdruckanlage) standardmagig eingesetzt. Stopfbuchsabdichtungen finden mit und ohne Sperr- bzw. Spiilfliissigkeitskammer fiir niedrig- und hochviskose, verklebende oder verunreinigte Produkte mit Erfolg Anwendung. Sie stehen im Wettbewerb zu einfach wirkenden und Gleitringdichtungen in Tandemausfiihrung (Quench), wahrend doppelte Gleitringdichtungen mit

114

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Verfahren und Anlagen

Sperrdruckanlage insbesondere bei ubelriechenden, toxischen undloder explosiven Abwassern eingesetzt werden. Um ein schnelles und einfaches Reinigen des Arbeitsraumes von rotierenden Verdrangerpumpen ohne Demontage der Pumpe zu gewahrleisten, gibt es die konstruktiven Losungen mit fliegender (einseitiger)Lagerung und abnehmbarem Gehausedeckel. VerschleiBteile wie Verdrangerkorper, Schleigwande und Gleitringdichtungen konnen bei dieser Losung einfach ausgebaut und gegebenenfalls erneuert werden. Um die Biegebelastung der Rotoren von rotierenden Verdrangerpumpen, die aus den Radialkraften infolge der langs des Umfangs ungleichformigen Druckverteilung (gegenuberliegendeDruck- und Saugseite)resultiert, zu minimieren und gleichzeitig, trotz der groBen Radialkrafte, geringe Spalte zwischen den Rotoren selbst und dem Gehause zu realisieren, werden die Rotoren von fliegend gelagerten rotierenden Verdrangerpumpen im allgemeinen mit der Belastung entsprechenden Wellendurchmessern ausgefuhrt. Ware dies nicht der Fall, wiirde aufgrund der relativ grogen Radialkrafte die Wetlenabdichtung u. U. unzulassig belastet werden und/oder auch die Welle brechen.

3.4.6

Schwingungen (s. a. Abschnitt 3.3.7) Die Forderstrompulsation von Verdrangerpumpen stellt einen periodischen Vorgang dar, bei dem einem im Mittel stationaren Betriebszustand eine ungedampfte Schwingung uberlagert ist, die durch ihre Amplitude und ihre Periodendauer (Frequenz) beschrieben wird. Im Unterschied zu den selbst erregten Pulsationen gehort die Forderstrompulsation von Verdrangerpumpen zu den fremd erregten Pulsationen. Zusatzlich zu der von der Drehzahl, der Bauart und der Anzahl der Verdrangerkorper bestimmten Grundfrequenzen treten auch die ganzzahligen Vielfachen dieser Grundfrequenzen auf (sogenannte Oberwellen),die nicht nur die Pumpe und/oder die Anlage bzw. Anlagenkomponenten zu Schwingungen erregen konnen, sondern sich auch als Fluid- und Luftschall bemerkbar machen. Bei oszillierenden Verdrangerpumpen wird das Fordermediurn in den mit der Pumpe verbundenen Saug- und Druckleitungen - von der Pumpe - mit der periodischen Forderstrompulsation zu hgsschwingungen angeregt. Wenn die Grundfrequenz der erregenden Forderstrompulsation oder eine Harmonische davon mit einer Eigenfrequenz der Fluidsaule in der Leitung zusammenfallt, entsteht Resonanz. Dabei konnen relativ kleine Amplituden der Forderstrompulsation sehr gro%e(bei Reibungsfreiheit unendlich groBe!) Druckamplituden zur Folge haben. Im Resonanzzustand bildet sich in der Leitung eine stehende Druckwelle aus. Im Vergleich zu oszillierenden Verdrangerpumpen ist bei rotierenden Verdrangerpumpen die Ungleichformigkeit des theoretischen Forderstroms wesentlich geringer und bei einigen Bauarten uberhaupt nicht darstellbar. Die reale Ungleichformigkeit des Forderstroms ist jedoch bei allen Bauarten von Verdrangerpumpen im allgemeinen hoher, als dies der Verdrangerkinematik folgend zu erwarten ist. Bei oszillierenden Verdrangerpumpen ist der Grund dafur die Kompressibilit3t des Fordermedi-

3.4 Hinwekc zur Auswahl und zum Bctrieb von Verdritngcrpumpen

ums, die Elastizitat des Arbeitsraumes und insbesondere, wenn vorhanden, ein verzogerter Beginn des Ansaugens bzw. des Ausschiebens von Fordermedium infolge eines .verzogerten" Beginns der Ventdbewegung. Bei rotierenden Verdrangerpumpen resultiert die reale Ungleichformigkeit des Forderstroms aus den mit jeder Umdrehung periodisch wechselnden inneren Abdichtgeometrien, den dazugehorenden Leckagestromen und den mit dem Ansaugen und Ausschieben verbundenen Druckausgleichsvorgangen (Drehzahl, Verdrangergeometrie, Viskositat, Gasgehalt, Kavitation). Mafinahmen zur Vermeidung/Minderung von resonanzbedingten Forderstrom-/ Druckpulsationen sind Andern der die Eigenfrequenz bestimmenden wirksamen Rohrlange, z. B. durch Verlegen der nachstgelegenen Reflexionsstelle (Behalter,Armatur) oder durch Einfiigen einer zusatzlichen Reflexionsstelle,wie z. B. einem Querschnittssprung in der Rohrleitung (Blende usw.) Installation von Pulsationsdampfern, die entweder als Windkessel oder als ,,akustische Filter" nach dem Interferenzprinzip ausgefiihrt werden, d. h. vollstiindig oder teilweise die eingeleiteten Pulsationen durch Uberlagerung mit phasenverschobenen Pulsationen ausloschen Reduktion der die Druckpulsation verursachenden Forderstromungleichformigkeit, z. B. durch den Parallelbetrieb von dreien anstatt von einer oszillierenden Verdrangermaschine undloder bei Erregung durch Verdrangermaschinen durch Andern der Drehzahl, d. h. der Erregerfrequenz.

3.4.7 Regelung (s.a. Abschnitt 3.3.8)

Die Kennlinie einer Pumpe beschreibt die von der Pumpe dem Fordermedium zugefiihrte spezifische Energie (Forderhohe) in Abhangigkeit vom jeweiligen Forderstrom. Die Kennlinie einer Anlage beschreibt, ebenfds in Abhangigkeit vom Forderstrom, die dem Medium in der Anlage zuzuftihrende spezifische Energie (Forderhohe), die zur Redisierung des Anlagenprozesses erforderlich ist. Stellt man Pumpen- und Anlagenkennlinie in einem Diagramm dar, dann ist der gemeinsame Betriebspunkt von Pumpe und Anlage der Schnittpunkt der beiden Kennlinien. Nur im Schnittpunkt der beiden Kennlinien liefert die Pumpe genau die Energie, die von der Anlage benotigt wird (Abb. 3.57). In Abb. 3.57 ist der Betriebspunkt einer Verdrangerpumpe als Schnittpunkt zwischen Anlagenkennlinie und Pumpenkennlinie dargestellt. Die Verschiebungdes Betriebspunkteskann durch Verandern der Anlagenkennlinie (Bypassregelung, theoretisch auch Drosselregelung), durch Verandern der Pumpenkennlinie (Drehzahlregelung, Hubverstellung) und durch das Zusammenschalten von Pumpen (parallel, theoretisch auch hintereinander) erfolgen. Die Drosselregelung,als Eingriff in die Anlage, wird bei Verdrangerpumpen wegen des starken Druck-lForderhohenanstiegspraktisch nicht realisiert. Bei der Bypassre-

I

115

116

I

3 Pumpen in abwassertechnischen Vetfahren und Anfagen

gelung, die einen Eingriff in die Anlage darstellt, wird uber eine Drossel die Pumpendruck- mit der Pumpensaugseite verbunden. Durch das Parallelschalten von Pumpe und Drossel bleibt, unabhangig von der Stellung der Bypassdrossel,der Betriebspunkt der Pumpe in erster Naherung konstant. Der Forderstrom auf der Pumpendruckseite hinter dem Bypassabzweig, der Nutzforderstrom der Anlage, resultiert aus dem Forderstrom, der sich bei geschlossenem Bypass einstellen wiirde, abzuglich des jeweiligen Forderstroms durch die Bypassleitung. Da der Betriebspunkt der Pumpe in erster Naherung konstant bleibt, liefert die Pumpe mehr Energie als die Anlage benotigt. Die Bypassregelung fiihrt pauschal betrachtet zu einem energetisch unwirtschaftlichen Betrieb und wird bei Anlagen mit ubenviegendem Volllastbetrieb bzw. Anlagen mit geringer Betriebszeit eingesetzt. Da Verdrangerpumpen mit relativ geringen Drehzahlen betrieben werden, werden sie im allgemeinen mit einem Getriebe zwischen Antriebsmotor und Pumpe ausgeriistet, wobei Antriebsmotor und Getriebe eine Einheit (Getriebemotor) bilden konnen. Muss der Forderstrom dem Prozess kontinuierlich angeglichen werden, kann ein stufenlos regelbares Getriebe eingesetzt werden. Bei der Drehzahlregelung erfolgt ein Eingriff in die Pumpe. Aus den Ahnlichkeitsgesetzender Stromungsmechanik folgt fur Verdrangerpumpen (geometrischeund kinematische Ahnlichkeit vorausgesetzt) QE:,

Pxn,

so dass sich die an einer Verdrangerpumpe fur eine diskrete Drehzahl bestimmten Kennlinien in einfacher Weise auf andere Drehzahlen umrechnen (Abb.3.69) lassen. Stellt man die moglichen Arbeitspunkte einer Pumpe bei Drehzahlregelung dar, d. h. stellt man die bei Drehzahlregelung moglichen Schnittpunkte der Pumpenkennlinien (des Pumpenkennfelds) mit Anlagenkennlinien dar (Abb.3.69), dann wird

tH

QBP

Abb. 3.69

Drehzahlregelung

Qmax

3.4 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Verdrangerpumpen

deutlich, dass mit Hilfe der Drehzahlregelung auch bei Verdrangerpumpen ein groIJer Forderstrombereichbedient werden kann. Neben diesem und dem schon genannten Ziel, die Energiekosten (Betriebskosten)einer Pumpe, z. B. gegeniiber denen bei Bypassregelung, zu reduzieren, wird die Drehzahlregelung auch zum Motor-, Pumpen- und Anlagenschub beim Anfahren der Pumpe und/oder z. B. auch bei unzulassigen kritischen Betriebszusttinden(z. B. Erosion, Kavitation), die nur kurzfristig auftreten, eingesetzt. Bei elektrischer Drehzahlregelungverlangt der bei Verdrangerpumpen von der Drehzahl unabhangige Drehmomentverlauf (P n, T = P / n n/n d. h. T unabhangig von n) , mehr noch als bei Kreiselpumpen (P n3, T = P / n n3/n d. h. T proportional nz), zwischen einem Sanftanlauf mit Hilfe einer Phasenanschnittssteuerung (Abb.3.70) und einer Drehzahlregelung mit Hilfe eines Frequenzumrichters zu unterscheiden. Unter Umsttinden (s. Drehmomentverlauf von Pumpe und Motor) kann der Sanftanlaufnicht die von ihm erwartete Wirkung beziiglich der Reduktion des Anlaufstroms bewirken. Die Anordnung von mehreren Pumpen in eine Adage liefert die Moglichkeit, durch Zu- und Abschalten einzelner Pumpen die Summen-Kennlinie der Pumpen beim Betrieb der Adage zu verandem und damit den Betriebspunkt der Adage zu beeinflussen. Die in der Praxis vorkommende Anordnung ist die Parallelschaltung von Pumpen, da bei der Hintereinanderschaltungdie abgeschalteten Pumpen unter Energieverlust durchstromt oder mit Bypassleitungen umgangen werden miissten. Bei der Parallelschaltungvon Pumpen erhalt man die resultierende Kendinie, indem man bei jeweils konstanter Forderhohe die Forderstrome addiert. Bei Verdrangerpumpen erfolgt die Parallelschaltungauch, um Pulsationen zu vermindern. Bei oszillierenden Verdrangerpumpen, z. B. im Einsatz als Transportpumpen, werden aus dem genannten Grund im allgemeinen drei Pumpen mit jeweils um 120"phasenver-

--

N

N

t

5 4 2

U VI const f = conot

TfrNEw

TWOTOR

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---

0.8XUNENN

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I'

1 ' I

0.5

Abb. 3.70

l!O

,,Sanftanlauf' und Frequenzumrichter

0.5

'ilo

I

117

118

I

3 Pumpen in abwasseriechnischen Verfahren und Anlagen

oszillierende Verdrlngerpurnpe rnit i = 3 und qv= 1.0

Q (m3lh)

180 Abb. 3.71

360

a ("1

Parallelschaltung oszillierender Verdrangerpurnpen

schobenem Forderstrom parallel geschaltet (Abb. 3.71). Auch bei Rotationskolbenpumpen kann die Pulsation durch Verdrehen der Rotationskolben in Engsrichtung (internes ,,quasi Parallelschalten") deutlich vermindert werden.

3.4.8

Schneckenpumpen

Die zu den Verdrangerpumpen gehorenden Schneckenpumpen (Abb. 3.72) werden bis zu Forderstromen von Q = 12 m3/s und Forderhohen bis zu H = 15 m eingesetzt. Ihr Durchmesser, ihr Aufstellwinkelund der von ihnen erreichbare Wirkungsgrad hangen von der Drehzahl und dem Verhaltnis aus Forderstrom zu Forderhohe ab. Um maximale Wirkungsgrade zu erreichen, ist der Spalt zwischen Schnecke und Trog - unter Beriicksichtigung der Schneckendurchbiegung - moglichst klein auszufiihren.

Abb. 3.72 Stahltrog

Schneckentrogpumpe

- vergossener

3.4 Hinwerse zur Auswahl und zum Betneb von Verdrdngcrpumpcn I119 Schneckentrogpumpe - Kompaktrohrschneckenpumpe

Abb. 3.73

Neben den klassischen Schneckenpumpen mit Schnecken im vergossenen Stahltrog (Abb. 3.72) werden Schneckenpumpen als sogenannte Kompaktschneckenpumpen - als ofene Kompaktschnecken und als Kompaktrohrschneckenpumpen (Abb. 3.73) - ausgefiihrt. Kompaktschneckenpumpen sind ,,kompakte Einheiten" aus Schnecke und Antrieb, so dass kein besonderes Gebtiude fiir Kupplung, Getriebe und Motor erforderlich ist. Der Unterschied zwischen ofener Kompaktschnecke und Kompaktrohrschneckebesteht in erster Linie darin, dass bei der Kompaktrohrschnekkenpumpe ein Standard-Rohrden Mantel der Schnecke bildet und dadurch im allgemeinen ein groBerer Spalt zwischen Schnecke und Mantel (Wirkungsgrad) auszufihren ist. Schneckenpumpen sind bei schwankenden Zulaufmengen selbstregulierend, sie sind wartungsarm und im allgemeinen zuverlassig. Diesen Vorteilen stehen als Nachteile der Platzbedarf und die Investitionskosten gegeniiber.

Formelzeichen

Schallgeschwindigkeit [m/s] Flache [m2] Breite [m] Absolutgeschwindigkeit [m/s] Federkonstante [N/m] Durchmesser [m] spezifische Energie [m2/s2] Kraft [N] Froudezahl [-I Fallbeschleunigung [m/s2] Forderhohe [m] Stufenzahl [-I Schubkennzahl Konsistenzfaktor [N/sm*] LAnge [m] Massenstrom [kgfs] Masse [kg]

120

I

3 Pumpen in abwassertechnkchen Verfahren und Anlagen

i

Drehzahl [l/min] FlieBexponent [-I spezifische Drehzahl [llmin] Newtonzahl [-I net positive suction head [m] statischer Druck [bar] Dampfdruck [bar] Leistung [kW] Nutzleistung [kw] Wellenleistung [kw] Fordergrad [-I Forderstrom [m3/s] Radius [m] Reynoldszahl [-I Zeit [s] Drehmoment [Nm] Geschwindigkeit, Umfangsgeschwindigkeit [m/s] Volumen [m3] Relativgeschwindigkeit [m/s] Hohenkoordinate [m] Winkel ["I Schaufelwinkel [ "1 volumetrischer Gasgehalt ["A] Wirkungsgrad, Zahigkeit [-] Lieferzahl [-I Rohrreibungsbeiwert [-I Gasgehalt, auf den Massenstrom bezogen ["A] kinematische Viskosiat [m2/s] Dichte [kg/m3] Schubspannung [N/m2] FlieBspannung [N/m2] Winkelgeschwindigkeit [l/s] Widerstandsbeiwert [-I

Indices A AP d F1 Flut G K la max

Anlage Arbeitspunkt Austritt der Pumpe Flussigkeit pro Flut Gas Kolben Laufrad maximal

n n nn

Ne NPSH

P Pd

P

PN pw

4

Q r Re t

T U

V W

Z

a

Ps E

v v1

i P V

P 5

50

a,Q

3.4 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb yon Verdriingerpumpen

mech min opt Pumpe Rbg S

stoB spalt the0 U

V W

1 2

mechanisch minimal im Punkt besten Wirkungsgrades Pumpe durch Reibung Eintritt der Pumpe oder Schub durch Fehlanstromung Spalt theoretisch in Umfangsrichtung Verlust an der Welle Eintritt Austritt

Literatur ATV-A 1 3 4 Planung und Bau von Abwasserpumpanlagen, Juni 2000, ISBN 3-933707-47-1 ATV-DVWK-Arbeitsblatt ATV-A 112: Richtlinien f i r die hydraulische Dimensionierung und den Leistungsnachweis von Sonderbauwerken in Abwasserkanaen und -1eitungen. Januar 1998, ISBN 3-927729-27-2 ATV-A 1 1 6 Besondere Entwasserungsverfahren Unterdruckentw2sserng - Druckentwasserung, September 1992, Eintrag 2820-3092 ATV-A 1 2 8 Richtlinien f i r die Bemessung und Gestaltung von Regenwasserentlastungsanlagenin Mischwasserkanaen, April 1992 ATV-A 1 6 6 Bauwerke der zentralen Regenwasserbehandlung und -riickhaltung, Entwurf Februar 1998, ISBN 3-927729-71-X ATV: ATV-Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik, 3. Adage, Band 2: Entwurf und Bau von Kanalisationen und Abwasserpumpwerken. Ernst und Sohn, Berlin 1982 VDMA 24261: Teil 1 Pumpen; Benennung nach Wirkungsweise und konstruktiven Merkmalen, Kreiselpumpen VDMA 24 261: Teil2 Pumpen; Benennung nach Wirkungsweise und konstruktiven Merkmalen; Oszillierende Verdrhgerpumpen VDMA 24 297: Kreiselpumpen, Technische Anforderungen, Richtlinien VDMA 24 2 8 0 Verdrhgerpumpen, Begriffe, Zeichen, Einheiten VDMA 24 284: Priifung von Verdrangerpumpen; Allgemeine Priifregeln EUROPUMP-Broschure: NPSH bei Kreiselpumpen; Bedeutung, Berechnung, Messung EUROPUMP-Broschiire:NPSH bei oszillierenden Verdrangerpumpen; Bedeutung, Berechnung, Messung TAW-Seminar: Technische Akademie Wuppertal e. V., Pumpen, Kompressoren und Verdichter in der Abwassertechnik TAW-Seminar: Technische Akademie Wuppertal e. V., Kreiselpumpen in verfahrenstechnischen Anlagen TAE-Seminar: Technische Akademie Esslingen, Planung und Betrieb von Pumpenanlagen GULICH,J.F.: Kreiselpumpen: Ein Handbuch fiir Entwiddung, Anlagenplanung und Betrieb, Springer Verlag, Berlin: Heidelberg 1999 K R ~ B EW.L.: R Kreiselpumpen fix den Betrieb in Abwasserpumpwerken, Tagung vom 22.-23.11.2001, Haus der Technik e.V.

I

121

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I123

4

Wellenabdichtungen im Bereich AbwasseP Berthold Matz

4.1

Einleitung

Die Verfiigbarkeit und Zuverlassigkeit einer Stromungsmaschine wird, je nach Anwendung, in einem mehr oder weniger grogen Ma%von der Qualit2t der Wellendichtung beeinflusst. Mit zunehmender Gefahrdung der Umwelt durch die geforderten Medien steigen die Qualiatsanfordemngen an die Dichtung. Dies gdt auch im Bereich Abwasser, wo das Gefahrdungspotential der dort vorkommenden Medien von absolut harmlos (z. B. bei den zur Lufteinpressung eingesetzten Verdichtem und Kompressoren)uber mehr oder weniger geruchsbelastigend bis hin zu hoch explosiv undloder hoch toxisch reicht. Letzteres gilt vor allem fur industrielle Abwasser, wo u. U. Analysen der Abwasserzusammensetzung zur Auswahl geeigneter Wellendichtungssysteme erforderlich sein konnen. Im folgenden wird zunachst ein Uberblick uber die am hadigsten eingesetzten Wellendichtungen dargestellt. AnschlieBend werden, den verschiedenen Fordermedien im Bereich Abwasser entsprechend, verschiedene Dichtungskonzepteund -konstruktionen vorgestellt, die eine wirtschaftliche und zuverlassige Abdichtung der eingesetzten Maschinen erlauben. Schwerpunkt wird hier, aufgrund der wachsenden Bedeutung und der universellen Einsetzbarkeit im Bereich flussiger Medien, die Gleitringdichtung sein. Es werden speziell die Grundlagen der Gleitringdichtungstechnik erlautert und im Bereich Abwasser iibliche Anordnungen mit ihren jeweiligen Vorteilen dargestellt. Im Anschluss daran werden kurz die Fahrweisen von Gleitringdichtungen bei erhohten Sicherheitsanforderungenaufgezeigt. Zum Schlusswerden noch die Vorteile gasgeschmierter Gleitringdichtungen bei der Abdichtung von Flussigkeiten dargestellt.

*

Der Autor bedankt sich bei den Burgrnann Dichtungswerken, Wolfratshausen fur die Bereitstellungdes Bildrnaterials.

124

I

4 Wellenabdichtungen im Bereich Abwasser

4.2

Wellendichtungen in der Abwassertechnik

Betrachtet man ein allgemeines Anlagenschema einer vollbiologischen Klaranlage, wie es in Abb. 4.1 dargestellt ist, dann erkennt man die groge Anzahl von verschiedenen Fordermedien. Entsprechend der jeweiligen Forderaufgabe werden alle mit ganz unterschiedlichen Purnpenkonzepten gefordert. Das Spektrum der hier eingesetzten Stromungsmaschinen reicht von Ventilatoren bzw. Kompressoren zur Lufteinpressung iiber Verdrangerpumpen, die geringe Forderstrome von Fliissigkeiten auch mit hohen Feststoffgehalten fordern, bis hin zu axialen Kreiselpumpen, die sehr groBe Forderstrome bewaltigen mussen. Allen Maschinen gemeinsam ist der Wellendurchgang der rotierenden Welle, die mit der jeweiligen Antriebsmaschine verbunden ist, durch das stationare Gehause. In Abb. 4.2 sind am Beispiel einer Axialpumpe und einer Exzenterschneckenpumpe diese Wellendurchgange mit den Raumen, die zur Aufnahme der Wellendichtung vorgesehen sind (schraffierter Bereich), dargestellt. Zur Abdichtung dieser Wellendurchfiihrung und damit zur Kontrolle der Umweltbeeintrachtigung durch die verschiedenen Fordermedien stehen verschiedene Dichtungskonzepte zur Verfiigung, die schematisch in Tab. 4.1 zusammengefasst sind. Man kann diese Dichtungen zunachst in beriihrungslose und beriihrende Systeme unterteilen. Charakterisiert werden diese, auger durch ihre jeweilige Leckage, die immer vorhanden ist, durch die maximal erreichbaren Einsatzgrenzen in Bezug auf die abzudichtende Druckdifferenz, die maximal erreichbare Mediumstemperatur und die Umfangsgeschwindigkeit der Welle. AuBerdem sind die

rchlamm L.....

RUckfiihrschlamn Ukrschul3schlamm

zur Vorklrr

r Vorkldrung

zur welteren Trocknung, Verbrcnnung, Deponle

Abb. 4.1

Schema einer vollbiologischen Klaranlage. Fordermedien

...

4.2 Wellendichtungen in der Abwassertechnik

Axialpurnpe

Exzenterschneckenpurnpe

Bauarten von Pumpen in der Abwassertechnik, schrafiert dargestellt sind die Dichtungsraurne zur Abdichtung der Wellendurchfuhrung

Abb. 4.2

unterschiedlichen Spezifikationen beziigl. der OberflachenqualiBt der Welle bnv. Wellenschutzhiilse, sowie mogliche Vor- und Nachteile der einzelnen Konzepte in Bezug auf die Leistungsaufnahme und damit auf den Gesamtwirkungsgrad der Maschine beim Einsatz zu beachten. Dariiber hinaus ist u.U. die Verfiigbarkeit der Maschinen, die durch unterschiedliche Dichtungskonzepte beeinflusst wird, zu diskutieren.

lab. 4.1

Dichtungssysterne zur Abdichtung von rotierenden Wellen

Bezeichnungl Dichtungsprinzip

Leckage

Mediumstemperatur

1 "CI

UmfangsDruckgeschwindig- differenz keit [mls] [bar]

Spalt, Labyrinth/ beriihrungslos

t t

rnax. 400

unbegrenzt

unbegrenzt

Schwimmring. Segmentring/ beriihrungslos

t

max. 400

unbegrenzt

unbegrenzt

H

max. 500

max. 30

rnax. 500

RadialwellenDichtringl beriihrend

1

max. 250

max. 15

max. 10

Gleitringdichtungl beriihrend

11

rnax. 440

max. 75

max. 200

Stopfbuchsel beriihrend

Prinzipskizze

I

125

126

I

4 Wellenabdichtungen irn Bereich Abwasser

4.3 Beriihrungsfreie Dichtsysteme irn Bereich Abwasser

In der Abwassertechnikwerden beriihrungsfreie Wellenalxlichtungen als Primardichtung in Form von Labyrinth- oder Schwimmring-/Segmentringdichtungenin den Verdichtern,die inderbiologischenStufezur Lufteinpressungeingesetztwerden,verwendet. Die relativ hohe Leckage, die beim Einsatz dieser Dichtungen auftritt, stellt aufgrund der Harmlosigkeitdes Fordermediumskeine Gef3hrdungder Umwelt dar und kann daher in Kauf genommen werden. Beim Einsatz von Schwimmringdichtungenist gegenuber der starren Drossel eine Reduzierung des Dichtspaltesdurch radial bewegliche Drosselelemente moglich, die sich im Betrieb der jeweiligen radialen Auslenkung der Welle anpassen. Weiter reduziert werden kann der Dichtspalt und dadurch die Leckage der Dichtung durch eine Teilungder Schwimmringeam Umfang. Die einzelnen Segmentedieser Dichtringewerden durch eine am Umfang gespannte Zugfeder zusammengehalten,was im Stillstand des Verdichters die Dichtheit garantiert. Beim Anfahren heben die Segmentringe, durch die sich einstellendeDruckdifferenz,von der Wellenoberflacheab. Zur Unterstiitzungdieses Vorganges und damit zur Reduzierungdes Dichtungsverschleisses haben sich hier am Innendurchmesser profdierte Dichtungen als vorteilhaft erwiesen. Durch die Profdierung baut die Rotation des Fordermediums im Dichtspalt einen aerodynamischen Druck auf und unterstiitzt so das Abheben der Dichtung. Der VerschleiB der Dichtung wird dadurch reduziert. Den Einbau einer solchen Dichtung, ein Segment, sowie das Verhalten im Stillstand und Betrieb zeigt Abb. 4.3.

tnordnung Schwimmringdichtung. einstufig

Segment mit Profilierung

Schwimmringdichtungim Betrieb

Spalt

Abb. 4.3

Schwimmringdichtung zur Abdichtung gasformiger Medien

4.4 Beriihrende Dichtungen im Eercich Abwosscr

I

127

4.4 Beriihrende Dichtungen im Bereich Abwasser 4.4.1

Stopfbuchspackungen

Wellendichtungen in Form von Stopfbuchspackungen spielten bei der Abdichtung von Maschinen und Armaturen uber viele Jahre hinweg die dominierende Rolle. In den letzten Jahren haben sie im Bereich der Stromungsmaschinen zunehmend an Bedeutung verloren. Dies liegt zum einen an den ssndig gestiegenen Anforderungen an die Dichtheit von Pumpen, zum anderen an dem Uberwachungs- und Wartungsaufwand, den man beim Einsatz einer Stopfbuchse betreiben muss. Vom Aufbau her besteht eine Stopfbuchspackungaus mehreren hintereinander in den Pakkungsraum eingelegten, gefldtenen Packungsringen, die iiber die Stopfbuchsbrille in axialer Richtung verspannt werden. Diese Anpresskrafi fuhrt zu einer radialen Verpressung der Packungsringe zwischen der Wellenoberflache und dem Stopfbuchsgehause, wodurch die Dichtwirkung aufgebaut wird. Da fiir die Dichtheit der Stopfbuchspackung relativ hohe Normalkrafte zwischen Packungsring und Wellenoberflache erforderlich sind, wird eine hohe Reibleistung im Kontaktbereich erzeugt. Zur Warmeabfuhr, zur Schmierung und damit zur Kontrolle des Packungsverschlei13es ist daher eine ssndige Leckage von Fordermedium zwingend erforderlich. Im Abwasserbereich, wo mit Feststoffen im Fordermedium gerechnet werden muss, sollte die Packung mit einem Grundring und einem Sperring ausgestattet werden. Durch die Beaufschlagung mit einem Sperrmedium unter erhohtem Druck verhindert der Sperring das Eindringen und die Ablagerung von Feststoffen im Packungsbereich. Der Grundring reduziert den Spalt zwischen Gehause und Welle und kontrolliert damit den Verbrauch an Sperrmedium. Als Sperrmedium konnen saubere Fremdfliissigkeitenbzw. auch umwelt- und produktvertragliche Fette eingesetzt werden. Eine solche Anordnung zeigt Abb. 4.4. Unter den Voraussetzungen, dass fiir den Einsatzfall geeignete Packungsmaterialien mit einer mechanisch hochbelastbaren Flechtstruktur ausgewat wurden, und dass die Abmessungen des Packungsraumes richtig dimensioniert wurden, zeichnen sich Stopfbuchspackungenim Vergleich zu anderen Abdichtungskonzepten durch folgende Eigenschaften aus:

0

einfacher konstnhver Aufbau wirtschafilich in der Anschafing (im Betrieb ist Wartungs- und Uberwachungsaufwand notwendig) einfache Handhabung bei der Montage/Demontage geringe Gefahr eines schlagartigen Versagens zusatzliche stabilisierende Wirkung bei Unwucht, z. B. bei Einkanalradpumpen

Werkstofk fllr Stoptbuchsringe

Ausgangsmaterial fiir die Herstellung von Stopfbuchspackungensind Faserwerkstoffe, die zu quadratischen oder trapezformigen Zopfen geflochten werden. Der trapezformige Querschnitt zeichnet sich gegenuber dem quadratischen im Einbauzustand

128

I

4 Wellenabdichtungen irn Bereich Abwasser Abb. 4.4

Stopfbuchskonfiguration fur feststoffbeladene Medien

durch parallele Stirnflachen mit gleichmagiger Kraftverteilung bei geringer Verkantungsgefahr aus. Abhangig von der Medienvertraglichkeit sowie der mechanischen und thermischen Belastung stehen folgende Materialien, die z. T. auch untereinander kombinierbar sind, zur Verfugung: Naturfasern: Baumwolle, Ramie, Hanf Kunstfasern: PTFE, Aramid, Graphit, Kohle Um die Packungseigenschaftenweiter zu verbessern werden diese Materialien dann in einem weiteren Prozess z. B. mit Fetten, Olen, PTFE oder Graphit impragniert. Je nach Impragnierung erreicht man dann z. B. eine Verbesserung der chemischen Bestandigkeit, verbesserte Gleiteigenschaften z. B. in der Anfahrphase und festere Pakkungsstrukturen.

4.4.2

Cieitringdichtungen 4.4.2.1

Crundlagen zur Funktionsweise

Bei Gleitringdichtungen ist, im Gegensatz zu den anderen gezeigten Dichtungskonzepten, der Dichtspalt in die radiale Ebene verlagert. Gebildet wird der Dichtspalt von den beiden planen Dichtflachen. Zwischen diesen Dichtflachen muss permanent etwas Flussigkeit vorhanden sein, um die Gleitpartner zu schmieren und zu kiihlen. Den Aufbau einer Gleitringdichtung mit den Bezeichnungen der einzelnen Bauteile zeigt Abb. 4.5. Die radiale Dichtflache wird von Gleit- und Gegenring gebildet. Im obigen Beispiel rotiert der axial bewegliche Gleitring (Pos. 1)mit der Welle, der axial f i e r t e Gegenring (Pos. 3) ist mit dem Gehause verbunden. Beide Ringe sind gegen die Welle bzw. gegen das Gehause mit Sekundardichtungen (in diesem Falle 0-Ringe) abgedichtet. Da die Nebendichtung, die zum Gleitring gehort (Pos.2), die axialen Bewegungen des Gleitringes mitmachen muss (z. B. infolge von Schwingungen oder VerschleiB),wird diese Nebendichtung als ,,dynamischbelastete Nebendichtung" bezeichnet. Bei der Auslegung von Gleitringdichtungen wird immer ein akzeptabler Kompromiss zwischen der Lebensdauer und der Leckage der Dichtung gesucht. Beide Parameter sind abhangig von der Hohe des Dichtspaltes (= Spaltweite), wie qualitativ in Abb. 4.6 dargestellt ist. Die Spaltweiten, die sich in der Praxis zwischen Gleit- und

4.4 Beriihrende Dichtungen im Bereich Abwasser I129

IJede Gleitrinadichtuna enthalt fiinf

Dichtflache

Grundelemeite:

- Pos. 1 : Befederter Gleitring - Pos. 2: Nebendichtung mschen Gleitring und Gehause - Pos. 3' Axial fixierter Gegenring - Pos. 4: Nebendichtung zwschen GehBuse und Gegenring

- Pos. 5: Befederung Abb. 4.5

Crundelernente der Cleitringdichtung

Gegenring bei Standarddichtungen einstellen sind kleiner 1pm und mussen zur sicheren Funktionsweise der Dichtung sicher beherrscht werden. Die Grundlage der Berechnung setzt daher die Kenntnis aller Krafte, die im Dichtspalt aufdie Gleitpartner wirken voraus. Diese sind in Abb. 4.7 dargestellt. Hier ist insbesondere der Anteil der hydraulischen Schliegkraftzu beriicksichtigen,die u. a. vom Druck am DruckstutZen der Pumpe bestimmt wird und sich daher wie dieser, abhangig vom Arbeitspunkt der Maschine, andert. Auch die Gestaltung des druckseitigen Radseitenraumes (Rukkenschaufeln, Entlastungsbohrungen am hufrad) beeinflusst den abzudichtenden Druck und muss daher beriicksichtigt werden. Aui3erdem darf die Beweglichkeit des Gleitringes durch die dynamische Nebendichtung nicht behindert werden. Bezieht man die resultierende SchlieBkraft F, auf die Gleiflache der Dichtung A, so erhdt man als resultierende GroBe den Gleitdruck pc. Ahnlich zur Auslegung von hydrodynamischen Gleitlagem werden auch bei Gleitringdichtungen die Verhaltnisse im Dichtspalt mit einer dimensionslosen Kennzahl (Gumbel-Zahl, Gu) beschrieben, anhand der das Verhalten der Gleitringdichtung im Betrieb diskutiert werden kann. Den Verlauf der Gu-Zahl bei unterschiedlichen Absanden zwischen Gleitund Gegenring (Reibungszusanden) und die sich daraus ergebenden Reibungsbeiwertef zeigt Abb. 4.8. Bei einer gegebenen Gleitringdichtung kann mit Hilfe der GuZahl der Einfluss von Anderungen der Betriebsbedingungen auf das Laufverhalten

Bereich der Festkorperreibung: minimale Leckage, maximaler VerschleiB Bereich der Mischreibung: geringe Leckage, akzeptable Lebensdauer Bereich der Flussigkeitsreibung: maxirnale Leckage, minimaler VerschleiO .) Standard-Gleitringdichtungen laufen

im Mischreibungsgebiet Abb. 4.6

Leckage-/VerschleiBverhalten von Gleitringdichtungen

130

I

4 Wellenabdichtungen im Bereich Abwasser Parallelspalt V-Spalt

Pu ' Parallel- V-

Fs

A-

+

resultierendeSchlieBkraft: F, Abb. 4.7

A-Spat1

-

= (FF+ F,, t FR) F,

Kraftegleichgewicht am Cleitring

direkt bestimmt werden. So fuhrt die Erhohung der Viskositat des Fordermediums und die Erhohung der Drehzahl zu hoheren Gu-Zahlen und damit zu groBeren Spaltweiten und Leckagen, die Erhohung des Gleitdmckes fiihrt dagegen zu reduzierten Gu-Zahlen, u. U. mit der Gefahr des Trockenlaufs. Bei hohen abzudichtenden Differenzdrijcken und daher kleinen Gu-Zahlen mussen, um die Belastung der Gleitpartner zu reduzieren und um den aus hohen Belastungen resultierenden Trockenlauf zu vermeiden, hydraulisch entlastete Dichtungen eingesetzt werden. In Abb. 4.9 wird gezeigt, wie die hydraulisch belastete Flache des Gleitringes durch einen Durchmessersprung in der Welle reduziert wird. Unterhalb des Durchmessers des dynamisch belasteten 0-Ringes wirkt der niedrigere Umgebungsdruck, so dass die mit dem Mediumsdmck belastete Flache. und damit die- resultierende SchlieBhaft, reduziert wird. BI ;chrieben wird die hydrauli-

mit: I ,n

0.7

-

0.5

E

0.3

3

0.2

I

; 0.1

Q 0.07 a

0.05

0.03

0.02

I.IXH~

IJX~:AIX

IINX.I?

I.lXN..(h

I Ull:.05

I.OWAY

rl . (1) GC= PG q = dyn. Viskositat 0) = Winkelgeschwindigkeit Fs PG = Gleitdruck = A FS= hydraulische Schlieflkraft = (FF+ FH* FR)- Fsp A = Gleitflache

HydrodynarnischeKennzahl GU

Abb. 4.8

Cumbelzahl Cu als Kennzahl fur Reibzustande im Dichtspalt

4.4 Beriihrende Dichtungen im Bereich Abwasser

nlcht entlastete Dlchtung

I

entlastete DlcMung

resultlerende hydraullsche SchlleEkrafl resultlerendehydraullscheSchlleBkrafl

Ezl+F=. FH

Fsp

FHW

E

+ FH

F Fsp

=

M F H ~

sche Belastung einer Gleitringdichtung durch den k-Faktor. Dieser wird definiert als das Verhaltnis der hydraulisch belasteten Flache A, zur Gleitflache A:

k=

hydraulisch belastete Flache A, Gleitflache A

In der Praxis sind k-Faktoren im Bereich zwischen 0,GS ... 1,2 ublich, eine zu starke Entlastung f i r t u. U. bei niedrigen Driicken zu unakzeptabel hohen Leckagen. Mit Hilfe der Reibungskennzahlf aus Abb. 4.8 kann aderdem eine Abschatzung der Reibleistung PRder Gleitringdichtung nach folgender Formel vorgenommen werden.

mit:

pc = Gleitdruck u = mittlere Umfangsgeschwindigkeit A = Gleitflache f = Reibungskennzahl

Dann mussen bei der Dimensionierung noch Verformungen durch Druck und Warmeeintrag, sowie die Festigkeit und Stabilitat der eingesetzten Bauteile uberprtift werden. Die Dichtungskonstruktion wird dariiber hinaus noch von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Forderflussigkeit beeinflusst. Diese Eigenschaften, wie Dichte, Viskositat, Dampfdruck bei der jeweiligen Temperatur, Feststoffundloder Gasgehalt, Aggressiviut, Kristallisationsneigungusw. sind selbstversandlich auch bei der Auswahl geeigneter Werkstoffe h r Gleitteile, metallische Teile sowie Nebendichtungen zu berticksichtigen.

4.4.2.2

Werkstotk von Cleitringdichtungen

Cleitwerkstotk

Die ideale Gleitwerkstoffpaarung sollte folgende Eigenschaften haben: medienbestiindig verschleigfest

I

131

132

I

4 Wellenabdichtungen im Bereich Abwasser

formstabil notlauffahig warmeleitend Einen Werkstoff der alle diese Forderungen optimal erfullt gibt es nicht. In der Regel erfullen die Gleitwerkstoffenur einige Forderungen voll, den Rest nur zum Teil oder uberhaupt nicht. In Abhangigkeit von der jeweiligen Anwendung und den daraus resultierenden Anforderungen muss aus der grogen Palette der Gleitwerkstoffe auch unter okonomischen Gesichtspunkten der geeignete ausgewahlt werden. Es handelt sich dabei immer um einen Kompromiss. Als Gleitwerkstoffewerden metallische, oxidkeramische und karbidische Werkstoffe sowie Kohlegrafite und Kunststoffe eingesetzt. Einen Uberblick iiber Gleitwerkstoffe findet man in EN 12756. Grundsatzlich kann man die vorhandenen Werkstoffe in harte und weiche Werkstoffe einteilen, die moglichen Werkstoffpaarungen werden dann als hartlhart- oder hartlweich-Kombination bezeichnet. Da im Abwasserbereich immer mit Feststoffen und Verunreinigungen im Fordermedium gerechnet werden muss, wird als Werkstoffpaarung standardmagig Sic (= Siliziumkarbid) gegen Sic (hartlhart-Kombination) eingesetzt. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch hohe Formstabilitat, Harte, VerschleiBfestigkeitund Warmeleitfahigkeit aus und ist daher fur diese Anwendung besonders geeignet. Sollen saubere Flussigkeiten abgedichtet werden kann z. B. auch Sic gegen Kohle (hartlweich-Kombination) eingesetzt werden. Diese Werkstoffpaarung zeigt giinstige Notlaufeigenschaften bei Mangelschmierung. Nebendichtungswerksto%

Die Auswahl medienbestandiger Elastomer-Werkstoffeirn Bereich Abwasser bereitet immer dann Probleme, wenn die Zusammensetzung des Abwassers unbekannt ist, bzw. wenn mit unterschiedlichen Zusammensetzungen gerechnet werden muss. Grundsatzlich gilt, je genauer die Zusammensetzung des Abwassers bekannt ist, desto einfacher fallt die Auswahl geeigneter Werkstoffe. Fur die Anwendung in Abwasser haben sich folgende Elastomer-Werkstoffebewahrt:

Acrylnitril-Butadien-KautschukNBR (z. B. Perbunan, Chemigum, Hycar): Wasser bis 70 "C Bestandig in: Ole, Fette, Treibstoffe Unbestandig in: Ozon, Sauren und Laugen aromatische chlorierte Kohlenwasserstoffe (z. B. Xylol, Toluol) polare Losungsmittel (2. B. Aceton) Fluor-Kautschuk FPM (z. B. Viton, Fluorel, Technoflon) Bestandig in: Wasser bis 80 "C, Ole, Fette, Treibstoffe, Kohlenwasserstoffe Unbestandig in: niedermolekulare organische Sauren, polare Losungsmittel, starke Laugen

4.4 Beriihrende Dichtungen im Benich Abwasser

Bei unklarer Zusammensetzung des Abwassers oder bei geringen Konzentrationen von den oben angegebenen, als ,,nicht besttindig" deklarierten Verbindungen sollte in jedem Fall Rucksprache mit dem Gleitringdichtungshersteller gehalten werden um den geeigneten Nebendichtungswerkstoff zu finden. Bei hohen Anforderungen an die Besttindigkeit muss u. U. auf Perfluorelastomere FFKM (z. B. Kalrez, Chemraz) zuriickgegriffen werden. Metallteile

Alle metallischen Teile (Federn, Gehause, Stifte) sollten aus Bestandigkeitsgriinden aus hochwertigen Werkstoffen (z.B. 1.4571,2.4610,bei Schrumpfverbindungen 1.4462)gefertigt werden. 4.4.2.3

Dichtungsrhne

Zur Aufnahme der Wellendichtung werden im wesentlichen zwei Einbauraume (s. Abb. 4.10)zur Verfugung gestellt. Dies sind zum einen der traditionelle Stopfbuchsraum, der no& vor der Zeit der Gleitringdichtungen genormt und standardisiert wurde, zum anderen der offene Dichtungsraum, der besonders bei feststoffhaltigen Medien zu bevorzugen ist. Hier bildet sich im konisch geoffneten Dichtungsraum eine Zyklonstromung aus. Diese garantiert den Abtransport von Feststoffen und verhindert so VerschleiB infolge von Abrasion an der Dichtung. In diesen Einbauraumen kann die Dichtung meist ohne Einspeisung von Forder- oder Fremdmedium betrieben werden. In den engen Stopfbuchsraumen ist dagegen in den meisten Fallen eine Einspeisung von sauberem Medium erforderlich. Dadurch wird eine zwangsweise Durchstromung des Dichtungsraumes mit entsprechender Warmeabfuhr und der Abtransport von Feststoffen erreicht. Der Anschluss der Zirkulation sollte daher moglichst in der Ebene der Gleitflache liegen. So wird sichergestellt,dass an der Dichtung immer flussiges Medium zur Schmierung der Gleitflachen ansteht (auch Entluftung beachten, der offene Dichtungsraum ist selbstentluftend).Bei Zirkulation mit Fordermedium kann die Leitung sowohl mit dem Saugstutzen als auch mit dem DruckstutZen der Pumpe verbunden werden. Zu bevorzugen ist die Verbindung zum Druckstutzen, da das sich im Dichtungsraum einstellende Druckniveau hoher ist, als dasjenige das sich bei der Verbindung der ZirMationsleitung mit dem Saugstutzen ergibt. Dadurch wird, vor allem bei leicht siedendenden Medien, die Verdampfungsge-

Abb. 4.10

Einbauraume fur Cleitringdichtungen rnit Elastomerbalg-Cleitringdichtung

I

133

134

I

4 Wellenabdichtungen im Bereich Abwasser

fahr reduziert. Falls die Schmierungs- und Kuhleigenschafien der Forderflussigkeit nicht ausreichend sind oder das zur Verfugung stehende Fordermedium nicht ausreichend gereinigt werden kann, kann uber die Zirkulationsleitung auch produktvertragliches, sauberes Fremdmedium eingespeist werden. AuBerdem ist Fremdeinspeisung bei Verstopfungsgefahr der Zirkulationsleitung vorzusehen. 4.4.2.4

Bauarten von Dichtungen fiir feststoffbeladene Medien

Die im folgenden dargestellten Dichtungskonzepte sind prinzipiell alle fur den Einsatz in feststoffhaltigen Medien geeignet. Eine grundsatzliche Empfehlung kann aufgrund der technischen Besonderheiten jeder einzelnen Dichtung nicht gegeben werden, da neben den Betriebsbedingungen z. B. auch die Art der Feststoffe im Fordermedium die Konstruktion der Dichtung beeinflusst. Die bei der Beschreibung der Dichtungen angegebenen maximal zulassigen Feststoffgehalte sind unter folgenden Voraussetzungen giiltig:

0

offener Dichtungsraum, keine Zirkulationsleitung niedrige Umfangsgeschwindigkeit ( m a . 10 m/s) t < 70°C Leckage bleibt flussig und neigt nicht zum Verkleben, Polymerisieren,Auskristal1'rsieren abrasive Wirkung der Feststoffe ist gering (Harte und Form der Partikel beachten) '

Fur kommunale Abwasser mit neutralem pH-Wert (pH = 6 ... 8) wird als Standardgleitwerkstoffpaarung SiC/SiC eingesetzt. Fur die Nebendichtungen (0-Ringe und/ oder Elastomerbalg) wird als Standard-Elastomer Acrylnitril-Butadien-Kautschuk NBR venvendet, Metallteile (Fedem, Gehause, Stifte) sollten in Edelstahlqualitat (z. B. 1.4571,1.4462)gefertigt werden. Bei Abweichungen des pH-Wertes, besonders in den sauren Bereich, ist Rucksprache mit dem Dichtungshersteller zu halten, da je nach Zusammensetzung des Abwassers unterschiedliche Elastomere eingesetzt werden mussen. Falls rnit groBeren Gasanteilen im Fordermediurn gerechnet werden muss, z. B. auch infolge von Ausgasung aufgrund der Druckabsenkungim Dichtungsraum, ist eine gequenchte Dichtungsausfthrung vorzusehen (s. Abschnitt 4.4.2.5). Elastornerbalgdichtung

Die Konstruktion einer Elastomerbalg-Gleitringdichtungist in Abb. 4.10 in den beiden moglichen Dichtungs-Einbauraumen dargestellt. Die dargestellte Ausfuhrung ist auBendruckbeaufschlagt mit rotierendem Balg. Bei Dichtungen dieser Bauart ist die Funktion des dynamisch belasteten 0-Ringes (Abdichten zur Welle auch bei axialen Wellenbewegungen) und der Drehmomenttibertragung von der Welle auf die Dichtung im Elastomerbalg, der kraftschlussig auf der Welle montiert wird, zusammengefasst. Die Dichtung hat folgende Merkmale: 0

hydraulisch entlastet ohne Durchmessersprung in der Welle ( k < 1) keine Beschadigung der Welle zur Drehmomenttibertragung

4.4 Beriihrende Dichtungen im Bereich Abwasser

0

keine Torsionsbelastung des Balges, da das Drehmoment vom Balg iiber die Feder auf den Gleitring iibertragen wird drehrichtungsunabhangige Drehmomentiibertragg Ausgleich von Wellenbewegungen in axialer Richtung durch hohe Balgbeweglichkeit (max. f 2 mm) Ausgleich von radialen und/oder axialen Wellenbewegungen und Winkelversatz durch bewegliche Balgfalte und Zentrierung (Abb. 4.11) unempfindlich gegen Ablagerungen auf der Welle rotierende Feder verhindert die Ablagerung von Feststoffen Feststoffgehalt im Fordermedium: max. 7 % Druck max. 10 bar Gleitgeschwindigkeit: max. 10 m/s

0-Ringdichtung mit W e r u n g auhrhalb des Pduktnums

Die Konstruktiondieser Dichtungmit Abmessungen gemaB DIN 24960 erfordert einen geschrumpften Gegenring und ist in Abb. 4.12 dargestellt. Die Merkmale dieser Dichtung, die fiir Normeinbauraume geeignet ist, sind im folgenden angegeben:

0

0

entlastete Ausfuhrung (k < 1) dynamisch belasteter 0-Ring nicht auf der Welle/Wellenhiilse angeordnet glatte Oberflachen Federn und Stifte augerhalb des Produktraumes drehrichtungsunabhangige Drehmomentiibertragung Feststoffgehalt im Fordermedium: max. 7% Druck: max. 16 bar Gleitgeschwindigkeit: max. 10 m/s

I

I

Abb. 4.11

Ausgleich von Cehausetoleranzen durch den Elastornerbalg

I

I

I

135

136

I

4 Wellenabdichtungen im Bereich Abwusser

1

-.L

~

Abb. 4.12

L

Rotierende 0-Ringdichtung fur feststoffbeladene Medien, Federn auBerhalb des Produktraurns

Stationare 0-Ringdichtung fur otkne Einbauraurne

Dichtungen dieser Bauart (s. Abb. 4.13) wurden speziell fur den Einsatz in feststoffundloder gasbeladenen Medien entwickelt. Da die gesamte Gleitringeinheit werksseitig vormontiert ist, wird diese Dichtungsbauart auch als ,,Halb-Cartridge"bezeichnet. Die Dichtflache ist hier bis zum augeren Durchmesser der Gleitteile hochgezogen. Dadurch wird die Bildung eines Gasringes im Bereich der Dichtflache verhindert und so eine ausreichende Schmierung und Warmeabfuhr sichergestellt. AuBerdem ist durch den grogen Freiraum auf der Atmospharenseite gewahrleistet, dass die Dichtung durch Ablagerungen und Ruckstande der Leckage in axialer Richtung nicht blokkiert wird. Auch die sehr robuste Einzelfeder, die auBerhalb des Produktraumes angeordnet ist, und die Anordnung des dynamisch belasteten 0-Ringes garantieren ein gutes Nachsetzverhalten bei gleichzeitig geringer Gefahr des Zusetzens. Einsatzgrenzen: 0 0

Feststoffgehalt im Fordermedium: max. 15 % Dmck max. 16bar Gleitgeschwindigkeit: m a . 10 m/s

Abb. 4.13

Cleitringdichtung fur hohe Feststoffgehalte, .,Halb-Cartridge"-Bauweise

4.4 Beriihrende Dichtungen im Bereich Abwasser

I

137

Abb. 4.14 nach

Vorrnontierte Dichtungspatrone (,.Cartridge"-Gleitringdichtung) passend fur Stopfbuchsraume

DIN 24960

Montagefertige Dichtungspatrone

Fur die Umriistung von Stopfbuchspackungauf Gleitringdichtung stehen fertig vormontierte Dichtungspatronen (s. Abb. 4.14)zur Verfugung, die in jeden Stopfbuchsraum integriert werden konnen. Merkmale dieses Dichtungssystemssind die medienseitig glatten Oberflachen und die ebenfalls auBerhalb des Produktraumes angeordneten Federn und Stifte. Als montagefertige Einheit ist die Cartridge sehr einfach einzubauen da sie bereits werksseitig optimal justiert ist. Bis zur endgultigen Fixierung am Pumpendeckel wird die Dichtung durch Montagelehren in Position gehalten. Diese werden vor der Inbetriebnahme entfernt. Den Anschluss der Zirkulationsleitung realisiert man durch die im Dichtungsdeckel integrierte Bohrung. Einsatzgrenzen: Feststoffgehalt im Fordermedium: max. 7 % Druck max. 12 bar Gleitgeschwindigkeit: max. 10 m/s

4.4.2.5

Fahrweisen von Cleitringdichtungen

Fur kommunale Abwasser sind im Regelfall keine speziellen Fahnveisen vorgeschrieben. Die Dichtung wird als Einfachdichtung betrieben. Fur den Fall, dass hohe Gasanteile im Fordermedium vorhanden sind, die z. B. bei selbstansaugenden Pumpen ausgasen konnen, muss u. U. auf der Atmospharenseite der Gleitringdichtung ein Quenchanschluss (= drucklose Flussigkeitsvorlage) vorgesehen werden. Als mogliche Quench-Installation ist in Abb. 4.15 exemplarisch die Versorgung der Dichtung uber einen hoher liegenden Flussigkeitsbehdter ohne Zirkulation dargestellt.Weitere Moglichkeiten sind: Quenchflussigkeit im Durchfluss Geschlossener Zirkulationskreislauf des Quenchmediums durch Thermosyphon oder eine Zirkuationseinrichtung

138

I

4 Wellenabdrchtungen im Bererch Abwasser

Abb. 4.15

Cleitringdichtung rnit externern Quenchbehalter

Druckloser Vorlagebehalter

-

VonGLRD nur b a Zirkulation - Mrdereinrlchtung Thermosyphon

~

.L

.

i

Fur hohere Sicherheitsanforderungen an das Dichtsystem kann die atmospharenseitige Dichtung, die in Abb.4.15 als Wellendichtring dargestellt ist, durch eine zweite Gleitringdichtung ersetzt werden. Diese Dichtungsanordnung wird als Tandem-Anordnung bezeichnet. Die atmospharenseitige Dichtung wirkt im Fall eines Dichtungsversagens auf der Produktseite als Sicherheitsdichtung und sollte daher fur die gleichen Betriebsbedingungen ausgelegt werden. Die atmospharenseitige Dichtung wird im Normalbetrieb durch das Quenchmedium gekuhlt und geschmiert. Dieses Konzept wird nicht nur bei trocken aufgestellten Maschinen mit einem externen Quenchbehalter umgesetzt, sondern z. B. auch in Tauchmotorpumpen. Dort ist der Quenchmediumraum direkt im Gehause zwischen Pumpe und Motor integriert. Sowohl pumpen- als auch motorseitig wird dieser Raum mit Gleitringdichtungen abgedichtet. Die motorseitige Gleitringdichtung lauft im Normalbetrieb drucklos mit. Fallt die pumpenseitige Dichtung aus, dann verhindert die motorseitige Dichtung bei vollem Pumpendruck den Eintritt von 0 1 in den Elektromotor. Im Regelfall fallt die pumpenseitige Dichtung jedoch nicht schlagartig aus, sondern zeigt mit zunehmender Betriebsdauer hohere Leckagen. Durch Messung der elektrischen Leitfahigkeit des Quenchmediums kann der Wassergehalt im 0 1 und dadurch die Funktion der pumpenseitigen Dichtung uberwacht werden. Abb. 4.16 zeigt schematisch den Aufbau einer Tauchmotorpumpe mit integriertem Quenchmedienraum. Zur Pumpe und zum Motor wird dieser Raum mit Elastomerbalg-Gleitringdichtungenabgedichtet. Fur den Fall, dass die drucklose Vorlage zur Schmierung und Kuhlung der Gleitpartner nicht ausreicht und fur den Fall, dass die Leckage der Gleitringdichtung nachteilig mit der Umgebung reagiert und daher jeder Kontakt vermieden werden muss, sind gesperrte Doppel-Gleitringdichtungen einzusetzen. Im Unterschied zur Quench- und Tandemanordnung wird hier im Zwischenraum zwischen produktund atmospharenseitiger Dichtung ein druckbeaufschlagtes Sperrmedium eingesetzt, das Produkt und Atmosphare trennt. Der Sperrflussigkeitsdruckmuss immer 2 - 3 bar uber dem Produktdruck liegen, so dass zwischen den Gleitflachen immer

4.4 Beriihrende Dichtungen im Bereich Abwasser

Abb. 4.16 Tauchmotorpumpe mit integriertem

I

139

Quenchmediumraum

GLRD

W

sauberes Sperrmediurn vorhanden ist. Als Sperrmediurn werden daher vorzugsweise produkt- und urnweltvertragliche reine Fliissigkeiten wie Wasser, Alkohol oder urnweltvertraglicheOle eingesetzt. Die folgende Abb. 4.17 zeigt schernatisch den Aufbau einer doppeltwirkenden Gleitringdichtungin Cartridge-Ausftihrungrnit dem entsprechenden Sperrdrucksystern.

Wh-

dnM

Zur GLRD

j;?

Abb. 4.17 Doppeldichtung mit Sperrdrucksystem

Aufgaben des Sperrdrucksystems: Druckaufbau im Sperraum Ausgleich der Dichtungs-Leckagen Umwalzung des Sperrmediums um Uberhitzung zu vermeiden Falls erforderlich, Kuhlung des Sperrmediums Kriterien fur doppelt-wirkende GLRD: Keine Produktleckage erlaubt Bei Medien mit schlechten Schmiereigenschaften (z. B. hoher Gasgehalt), wo Quench nicht mehr ausreichend ist Bei sehr aggressiven Medien unter hohen Drucken und Temperaturen Bei polymerisierenden, klebenden, zu Ablagerungen neigenden Medien

140

I

4 Wellenabdichtungen im Bereich Abwasser

4.4.3

Casgeschrnierte Cleitringdichtungen fur chernische Abwgsser

Speziell im Bereich chemischer Abwasser wurden in der Vergangenheit sehr erfolgreich gasgeschmierte Gleitringdichtungen (,,Gasdichtungen") zur Abdichtung von Flussigkeiten eingesetzt. Der wesentliche Unterschied zur fliissigkeitsgeschmierten Gleitringdichtung besteht in den sehr feinen Strukturen, die in die Gleitflache des rotierenden oder stationaren Ringes eingebracht sind. Diese nur wenige pm-tiefen Gasnuten sorgen im Betrieb der Dichtung durch den Aufbau eines aerodynamischen Druckes dafur, dass sich zwischen rotierendem und stationarem Gleitpartner ein stabiler Gasfilm aufbaut. Der Gasfilm trennt die Ringe und garantiert so einen beriihrungslosen und damit verschleigfreien Lauf. In Abb. 4.18 sind die beiden moglichen Nutformen dargestellt. Man unterscheidet bei den Gasnuten zwischen der drehrichtungsunabhangigen U-Nut und der drehrichtungsabhangigen V-Nut. Im Pumpenbereich wird ausschliefilich die U-Nut eingesetzt. Die Umfangsgeschwindigkeit,bei der die Ringe abheben, liegt hier bei drucklosem Betrieb bei ca. 1,s m/s. Beim Einsatz der drehrichtungsabhangigen V-Nut reduziert sich die Abhebegeschwindigkeit auf ca. 0,s m/s. In Abb.4.18 ist auch der Dichtdamm (=nicht strukturierter Bereich der Gleitflache) bezeichnet, der die Dichtheit im Stillstand der Maschine garantiert. Ein weiterer Vorteil der Gasdichtungen liegt in der, gegenuber wassergeschmierten Gleitringdichtungen, deutlich reduzierten Leistungsaufnahme. Diese betragt nur noch ca. 1% der Leistungsaufnahme einer wassergeschmierten Dichtung, d. h. der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe wird erhoht. Den Aufbau einer gasgeschmierten Doppeldichtung fur die Abdichtung von feststoffbeladenen Flussigkeiten zeigt die Abb. 4.19. Man erkennt in beiden Dichtungen die Gasnuten, die, ausgehend vom Sperrmedienraum, die dynamische Offnungskraft erzeugen und so den beriihrungs- und verschleigfreien Betrieb der Dichtungen ermoglichen. In beiden Fallen sind die Gasnuten in dem stationaren Ring eingebracht. AuBerdem ist ein typisches Sperrgasversorgungssystem dargestellt, das sehr vie1 einfacher aufbaut ist, als das bei fliissigkeitsgeschmierten Doppeldichtungen. Als Sperrgas werden vomehmlich Druckluft oder Stickstoff eingesetzt, d. h. das Fordermedium bleibt in jedem Fall frei von Sperrflussigkeiten. Insgesamt sind sowohl die Investitions-als auch die Betriebskosten fur doppelt-wirkendeGasdichtungen mit Versorgungssystemgeringer, als die der wassergeschmierten Alternative. Die Aufgaben des Sperrgasversorgungsystems sind:

Abb. 4.18 a) Drehrichtungsunabhangige U-Nut; b) Drehrichtungsabhangige V-Nut

4.4 Beriihrende Dichtungen im Bereich Abwasser

Sperrgasversorgungssystem DurchfluRmesser rnit

Manometer mk

Anschlufl Gasversorgung

* ventil

Filter Druckregelventil

Abb. 4.19

Gasgeschmierte Doppeldichtungfur die Anwendung in feststoffbeladenen Fliissigkeiten rnit

Sperrgasversorgungssystem

0

0

Versorgung der Dichtung mit Sperrgas Messung der Durchflussmenge Uberwachung und Regelung der Gasversorgungsdriid, der Sperrgasdruck sol1 auch bei gasgeschmierten Gleitringdichtungen 2 bar uber dem Produktdruck liegen Verhinderung von Produkteintritt in das Sperrgassystem

Ein weiteres Merkmal der Doppel-Gasdichtung ist der SelbstschlieBeffekt (s. Abb. 4.20). Falls ein Storfall auftntt, und das Sperrgasversorgungssystem ausfdlt, wird der Druck im Sperrgasraum p 3 kleiner als der Produktdruck pl. Dadurch wird der dynamisch belastete 0-Ring der produktseitigen Dichtung, wie in Abb. 4.18 dargestellt, an die hintere Anlageflache verschoben. Die hydraulisch belastete Flache des Gleitringes verandert sich in der in Abb. 4.20 gezeigten Weise. Die

Normalbetrieb, p3 > Pl, k
Abb. 4.20

Doppeltdruckentlastung, k

StiSrfall, p3 < pl, kcl

<1

irn Norrnalbetrieb und Storfall

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4 Wellenabdichtungen im Bereich Abwasser

Dichtung schlieBt selbstandig und lauft wie eine wassergeschmierte, beriihrende Cleitringdichtung weiter. Da die Dichtung auch in diesem Fall entlastet ist ( k < 1) wird diese Konstruktion als doppeltdruckentlastet bezeichnet. Weiterfiu hrende Literatur

LEBECK,A.O.: Principles and design ofmechanicalface seals. John Wiley & Sons, New York, 1991. B., FARAGALLAH, W.H.: Handbuch Dichtungen, Verlag und Bildarchiv W. H. Faragallah,

THIER,

Sulzbach / Ts., 1. Auflage, 1990. Burgmann Dichtungswerke GmbH, ABC der Gleitringdichtung, Wolfratshausen, 1988. Burgmann Dichtungswerke GmbH, Gasgeschmierte Gleitringdichtungen, Wolfratshausen, 1997. Burgmann Dichtungswerke GmbH, Konstnrktionsmappe Gleitringdichtungen, Ausgabe 15.1, Wolfratshausen, 2001.

I

5

Beluftungseinrichtungen Martin Wagner

5.1

Einleitung

In kommunalen Abwasserbehandlungsanlagenmit Stickstoff-und Phosphorelimination ist ein ausreichend bemessenes und betriebssicheres Beluhgssystem sowie entsprechende Mischeinrichtungen eine wesentliche Voraussetzung fiir die Einhaltung der geforderten geringen Ablaufionzentrationen. Wfirend friiher hauptsachlich Oberflachenbeliiftungssystemeeingesetzt wurden, werden heute vorrangig feinblasige Druckluftbeluftungssysteme eingebaut, die gegenuber Oberflachenbeluftungssystemen den Vorteil haben, dass von ihnen geringere brm-und Geruchsbelastigungen ausgehen. Weiterhin sind Dru~uftbeluftungssysteme wirtschaftlicher als vergleichbare Oberflachenbeliiftungssysteme. Der Sauerstoffeintrag von Beliiftungssystemen wird charakterisiert durch die folgenden vier Parameter: 1. Sauerstoffeintrag OC 2. Sauerstoffzufuhrvermogen OC, 3. spezifische Sauerstoffaufnahme SSA 4. spezifischer Sauerstoffausnutzungsgradqo2

[kg 02/hl [g 02/m3. h1 [g O d m i . ml [“/./m]

1st auch die Wirtschaftlichkeit eines Belihmgssystems von Bedeutung, wird auch der Parameter

5. Sauerstoffertrag 0, oder 0,

[kg 02/kWhl

zur Beurteilung herangezogen. Im vorliegenden Beitrag werden verschiedene Ausfuhrungsformen von Druckluftund Oberflachenbeluftungssystemen im Detail vorgestellt. AnschlieBend werden die seit kurzem auftretenden Probleme mit Beluftungselementen aus EPDM (EthylenPropylen-Dienkautschuk)aufgezeigt sowie Ursachen und Liisungsmoglichkeitendargelegt. Aufgrund der geringen Anwendungshaufigkeit werden In- und E jektorsy-

143

144

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5 Belu~utungseinrichtungen

steme sowie Beluftungssysteme mit Reinsauerstoff nicht beschrieben. Im Detail werden a-Werte von Beluftungssystemen diskutiert. Eine modifizierte Richtwerttabelle erreichbarer Sauerstoffeintrage-und -ertrage von Oberflachen-sowie Druckluftbekiftungssystemen in Reinwasser und unter Betriebsbedingungen sowie die Vorgehensweise bei der Bemessung von Beluftungssystemen erganzen diese Ausfiihrungen. Praxisbezogene Schlussfolgerungen und eine kurze Zusammenfassung schlieaen den Beitrag ab.

5.2 Feinblasige Druckluftbeluftungssysteme 5.2.1 Material und Form

Feinblasige Beluftungselemente konnen in drei Kategorien bezuglich des Materials eingeteilt werden [ 11: 1. Elemente aus Keramik 2. Elemente aus poroser Plastik 3. Elemente mit perforierter Membran

Ausgangsmaterialien fur Elemente aus Kerumik sind Aluminiumoxide, Aluminiumsilikate und Silikate. Die aus diesen Materialien geformten Elemente werden bei Temperaturen uber 1000 "C gebrannt. Der Porendurchmesser hangt von der GroBe und Klassierung des Ausgangsmaterials ab und kann etwa uber eine GroBenordnung einer halben Zehnerpotenz streuen, wobei Porendurchmesser von 40- 140 pm ublich sind. Probleme ergeben sich bei Elementen aus Keramik vorrangig durch Verstopfung (Kalkablagerungen),so dass der Druckverlust zunimmt. Beluftungselemente aus poroser Plastik lassen sich unterteilen in starrporoses und nichtstarr poroses Material. Die vorrangig eingesetzten Elemente aus starrporoser Plastik werden hauptsachlich aus Hochdruckpolyethylen (HDPE) oder Styrolacrylnitril (SAN) hergestellt. Beluftungselementeaus nichtstarren porosen Elementen wurden bisher nur in geringem Umfang eingesetzt. Parallel zur Entwicklungvon Beluftungselementen aus poroser Plastik wurden Elemente mit perfoorierter Mernbran auf den Markt gebracht. Schon vor 40 Jahren wurden perforierte Elemente aus Plastikmaterial oder teilweise aus Kord hergestellt. Diese Elemente haben sich im Betrieb aber nicht bewahrt. Bedeutend bessere Ergebnisse wurden mit Beluftungselementen aus poroser flexibler Membran erzielt, die vor etwa 20 Jahren vorgestellt wurden. Zum einen wurden Elemente aus Polyvinylchlorid (PVC) entwickelt, zum anderen Elemente aus Elastomeren (z. B. EPDM). Den Elementen aus Polyvinylchlorid werden Weichmacher zugegeben, damit sich ein weiches, elastisches Material ergibt. Patentrechtlich geschutzte Zusatze verstarken bei den Elementen aus Elastomeren deren flexible Eigenschaften. Je nach Herstellungsprozess werden die flexiblen Membranen gelocht bzw. geschlitzt. Werden die Beluf-

5.2 Feinblasige Druckluftbeluftungssysteme

tungselemente mit Luft beaufschlagt, dehnen sich die Offnungen der Liicher oder Schlitze aus, wobei sich die grogten Offnungen bei hiichstem Luftvolumenstrom ergeben. Nach Abstellen der Geblase schlieBen sich die Offnungen, so dass kein belebter Schlamm in die Elemente eindringen kann. Damit ist ein intermittierender Betrieb (z. B. im Nitrifikations-/Denitrifikationsbereich)gew3wleistet. Zunehmend ofiers werden als Alternative zu EPDM-Membranen solche aus Silikon eingesetzt. Drei Formen von feinblasigen Beluftungselementen werden gefertigt: 1. Rohre 2. Dome bzw. Teller 3. Platten

Von feinblasigen Druckluftbeliiftungssystemensind drei konstruktive Ausfiihrungsformen bekannt: 1. Bandbeluftungssysteme 2. flachendeckende Druckluftbeluftung mit - Elementen in Form von Platten, Rohren und Tellem - groBen Plattenbeluftungselemente aus Folienmaterial 3. getrennte Umwdzung und Beluftung

Bandbelujungssysteme werden aufgrund schlechter Sauerstoffertragswerte ublicherweise nicht mehr eingesetzt. miichendeckende Druckluftbelujung rnit &menten: Zur Reduzierung der auharts gerichteten Komponente der Wassergeschwindigkeit und damit zur VergroBerung der Blasengrenzflache ging man dam uber, den Boden des Beluftungsbeckens flachig mit Rohren, Tellem, Domen oder Platten auszulegen. Die Abstande der Beluftungselemente untereinander betragen, abhangig vom Sauerstoffbedarf der Mikroorganismen zwischen 0,4 und 1,0m. Ubliche Einblastiefen liegen zwischen 4-6 m. Mittlerweilewerden aber auch auf kommunalen AbwasserbehandlungsanlagenBelebungsbecken mit Tiefen bis zu 12 m gebaut. Flachendeckende Drucklujbelujung mit groJen Plattenbelujem aus Folienmaterial: Durch den Einsatz von flachendeckenden bzw. teilweise flachendeckenden groBen Plattenbeluftem aus Folienmaterial werden sehr kleine und gleichmasig iiber den gesamten Beckenboden verteilte Luftblasen erzeugt. Damit lasst sich eine noch geringere Auhartsstromung des Wassers im Vergleich zur flachendeckenden Beliiftung mit Rohren, Tellem oder Domen erreichen. Aufgrund der sehr geringen GroBe und der langen Aufenthaltszeit der Luftblasen im Wasser werden besonders hohe Eintrags- und Ertragswerte erzielt. Nachteilig bei der Plattenbeluftung aus Folienmaterial (gro%ePlatten) erscheint der relativ hohe Investitionsaufwand f i r die Elemente, was durch sehr hohe Sauerstoffertragedurch niedrige Jahreskostenwieder relativiert werden kann. Getrennte Umwalzungund Belujung: Bei der Trennung der beiden Funktionen eines Beluftungssystems, Sauerstoffeintrag und Mischung, wird mit einer rotierenden Briicke oder Propellem eine zur Mischung ausreichende Horizontalstromung er-

I

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146

I

5 Belu~ungseinrichtungen

zeugt. Zum optimalen Betrieb sind zum einen die Beluftungselemente (Rohre,Teller, Dome, Platten) so anzuordnen und zu beaufschlagen, dass kein erheblicher Drucklufthebereffektauftritt, zum anderen muss ein geeignetes Umwalzaggregat mit einer geringen Leistungsdichte (1-2 W/m’) zur Verfugung stehen. Durch die Kombination von geringer Beaufschlagung und ausreichender Umwalzung mit Horizontalstromung werden die Blasen aus dem Druckluftheberbereich uber den Beluftungselementen fortgetragen und konnen langsam senkrecht im Wasser aufsteigen, was letztendlich zum erhohten Sauerstoffeintrag und -ertrag fuhrt.

5.2.2

Feinblasige flachendeckende Druckluffbeliiftung

Die ubliche Beckentiefe mit feinblasigen Beluftungssystemen in flachendeckender Ausfuhrung betragt zwischen 4 und G m. Aufgrund enger Platzverhaltnisse werden in einigen Fallen im Rahmen von Erweiterungsmagnahmen Belebungsbecken mit grogen Wassertiefen gebaut. So wurde beispielsweise in Bonn eine Belebungsbeckentiefevon 12,s msowiein Helsinkiund StockholmeineBeckentiefevon12 mrealisiert. In den tiefen Becken wurde ein hoherer Sauerstoffeintragund Sauerstoffertrag im Vergleich zu flacheren Becken erwartet. Zur Klarung dieses Sachverhaltes wurden eine groBe Zahl von Sauerstoffzufuhrmessungen in Reinwasser an einer grogtechnischen Versuchsanlage (Durchmesser:4,25 m; Wassertiefe: 2,s - 12,s m) durchgefuhrt [2]. Die Versuche zeigen, dass sich mit hoherer Belegungsdichte (gelochte oder geschlitzte Flache aller Beluftungselemente in einem Belebungsbecken bezogen auf die Beckengrundflache) hohere spezifische Sauerstoffaufnahmen ergeben. Mit abnehmender Luftbeaufschlagungder Beluftungselementewird die spezifische Sauerstoffaufnahme geringer. Hinsichtlich des Sauerstoffertrags ist festzustellen, dass sich mit steigender Belegungsdichte hohere Werte ergeben. Bei einer Wassertiefe von etwa 10 rn ergeben sich die hochsten Sauerstoffertragswerte,wobei dieses Maximum nur schwach ausgepragt ist. Aufgrund der Ergebnisse ist nachgewiesen, dass bei der kommunalen Abwasserreinigung grogere Wassertiefen als 10 m keine wirtschaftlichen Vorteile ergeben. Die oft als Ausschlusskriterium fur tiefe Belebungsbeckengeaugerte Meinung, dass sich die Schlammabsetzeigenschaftenin Nachklarbeckenhinter tiefen Belebungsbecken sehr starkverschlechtern,kann nicht bestatigt werden.Voraussetzungist jedoch, dass vor den Nachklarbecken Entgasungszonen vorgesehen werden, so dass an den Schlammflocken anhaftende Gasblaschen entfernt werden. 5.2.3

Feinblasige Beliiftungssysterne rnit getrennter Urnwalzung

Aufgrund guter Erfahrungen werden vermehrt feinblasige Druckluftbeluftungssysteme mit getrennter Umwalzung gebaut. In Frankreich wurden an feinblasigen Beluftungssystemen mit getrennter Umwalzung Sauerstoffzufuhrmessungen in Reinwasser durchgefiihrt, bei denen der Einfluss der Flieggeschwindigkeit in einem Rundbecken auf den Sauerstoffeintraguntersucht wurde [ 31. Mit steigender Wasser-

5.2 Feinblasige Druckluftbeluftungssrteme

geschwindigkeit ergibt sich ein um bis zu 50 % hoherer Sauerstoffeintragbezogen auf stillstehendes Wasser. Neben der Wassergeschwindigkeit im Umlaufbecken hat auch die Anordnung der Beliihngselemente respektive der Beliifiergitter Einfluss auf den Sauerstoffeintragund -ertrag.Obwohl die ortlichen Verhaltnisse eine wesentliche Rolle spielen, konnen Anhaltspunkte fiir die GroBenordnung der Beeinflussung angegeben werden [4]. Es zeigt sich, dass mit Reduzierung der Anzahl der Beliiftungsgitter, d. h. mit geringerer Belegungsdichte der spezifische Sauerstoffausnutzungsgradreduziert wird. Die hochsten Sauerstoffeintragebzw. spezifische Sauerstoffaufnahmen ergeben sich dann, wenn die Beliiftungsgitter in dichter Folge im Umlaufbecken angeordnet werden. Die niedrigsten Werte wurden bei ungleichmaBiger Anordnung der Gitter festgestellt. MANTOVANI [S]gibt in einem grundlegenden Beitrag Hinweise zum Zusammenwirken zwischen Beliiftungssystem und Umwdzeinrichtung in Umlaufbecken. Er zeigt, dass sich bei einem Verhaltnis der Unge eines Umlaufbeckens L und der Breite B von 5 - 5,s sowie der MaBgabe, dass die Breite eines Umlaufkanals zwischen 0,8- 2 rnal der Wassertiefe betragen soll, ein Mindestbeckenvolumen von 1200- 1500 m3ergibt. Zur Optimierungdes Sauerstoffeintragsund Sauerstoffertragsin Umlaufbecken ist weiterhin die Positionierung der Rihrwerke und der Belidtungsfelder im Umlaufhnal von groBer Bedeutung (s.0.).Bei der Positionierung der Riihrwerke im Umlaufkanal sollte der Abstand der Riihrwerke von der Umlenkung groBer als die Breite des Kanals sein [S]. Im Kanal sollte der Abstand der Riihrwerke zur Beckenwand S, mindestens 0,3m und zwischen zwei Riihrwerken S, (im Querschnitt gesehen) minde-

S, L 0,3m

Its1 Abb. 5.1

Riihrwerke in Umlaufbecken [S]

-

4

S,+Sl

S, 2 0,6m

4

I

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148

I

5 Belu~ungseinrichtungen

f

zB (min = H)

1

Abb. 5.2 Anordnung der Belufterfelder in Urnlaufbecken [S]

stens 0,G m betragen. Der Abstand zwischen Ruhnverk und Wasseroberflache S lasst sich mit der Gleichung S = 0,7 D,'85 ermitteln (DR= Durchmesser Ruhnverk), wobei ein Mindestabstand von 0,3 m vorzusehen ist (s. Abb. 5.1). Bei der Anordnung der Belufterfelder in Urnladbecken sind die in Abb. 5.2 eingetragenen Mindestabstande zur Umlenkung im An- und Abstrombereich und zu den Ruhnverken zu beachten. 5.2.4

Probleme mit feinblasigen Belilfiungselementen

Seit Mitte 2000 wird an ausgebauten EPDM-Beluftungselementenin vielen Abwasserbehandlungsanlagen ein biologischer Belag beobachtet, der sich flachendeckend auf der gesamten Membranoberflacheausbreitet [6,7].Gkichzeitig wird eine Verhartung der EPDM-Membranfestgestellt,die letztendlich zum Druckanstieg im Rohrleitungssystem fuhrte. Wahrend zunachst vermutet wurde, dass die angefuhrten Probleme hauptsachlich bei Beluftungselementen in Form von Rohren auftreten, kann heute zum einen nachgewiesen werden, dass auch bei Tellerbeluftungselementen und auch bei Elementen in Form von Platten Belage auftreten (s. Abb. 5.3). Zum anderen stellt der Belag auf der Membranoberflacheauch nicht das Problem eines bestimmten EPDM-Membranherstellers, eines Lieferanten von Beluftungselementen oder einer Ausriisterfirma sondern ein generelles Problem dar. Als bisher einzige Moglichkeit zur Behebung des Schadens wird der Austausch der EPDM-Membranen gegen Membranen aus Silikon angesehen. Belagsbildungen auf Silikon-Membranen in kommunalen Abwasserbehandlungsanlagen wurden bisher nicht beobachtet.

5.2 Feinblasige Druckluftbeluftungssysteme I149

Abb. 5.3

Belagsbildung auf feinblasigen Belijftungselernenten [7]

5.2.5 Beltiftungssystem

- Rohrleitungssystem - Drucklufterzeuger

Zur Erzielung eines hohen Sauerstoffeintragsund damit eines wirtschaftlichen Sauerstoffertrags mussen Beluftungselement, Rohrleitungssystem und Drucklufterzeuger optimal aufeinander abgestimmt werden. Feinblasige Dnu;kluftbelu~ungsele~nte mussen (auch bei geringen Luftbeaufschlagungen) gleichmagig abgasen, um einen maximal moglichen Sauerstoffeintragzu gewhrleisten, der wiederum Grundlage fur einen hohen Sauerstoffertrag ist. Das Rohrleitungssystem sollte so bemessen werden, dass in Haupt- und Verteilerleitungen eine Luftgeschwindigkeitvon 12- 15 m/s vor-

150

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5 Belu~ungseinrichtungen

liegt. Eine wesentliche Bedeutung bezuglich hoher Sauerstoffertrage kommt den Drucklufterzeugern zu. Ubliche Drucklujerzeuger auf Abwasserbehandlungsanlagen sind Drehkolbengeblase, Turbokompressoren (ein- und zweistufig) und vereinzelt auch Schraubenverdichter. Wahrend Drehkolbengeblase bei geringen bis mittleren Luftvolumenstromen und einem maximalen Gegendruck von etwa 10 m eingesetzt werden, sind groBe Abwasserbehandlungsanlagen mit hohem erforderlichen Luftvolumenstrom das Haupteinsatzgebiet von Turbokompressoren bei einem in abwassertechnischer Hinsicht unbegrenzten Gegendruck. Der Einsatzbereich der nur vereinzelt eingesetzten Schraubenverdichter entspricht demjenigen von Turbokompressoren. Seit einiger Zeit wird von Drucklufterzeugern berichtet, die magnetisch gelagert sind und bei sehr hohen Geschwindigkeiten der Turbinenlaufrader (von 19 00049 000 U/min) betrieben werden. Daten beziiglich des spezifischen Energiebedarfs sind nicht bekannt. Der spezifische Energiebedarf [Wh/mh . m] der unterschiedlichen Drucklufterzeuger (Turboverdichtereinstufig, Turboverdichter zweistufig, Schraubenverdichterund Drehkolbengeblase) ist in Abb. 5.4 in Abhangigkeit des Gegendmcks [m WS] dargestellt. Abbildung 5.4 ist als Beispiel zu verstehen und gilt fur einen Luftvolumenstrom von 5000 mh/h. Bei davon abweichenden Luftvolumenstromenund nicht optimalen Betriebsbedingungen ergeben sich andere spezifische Bedarfswerte und gegebenenfalls sogar eine andere Reihung der Drucklufterzeuger.

Gegendruck [m WassersLule] Abb. 5.4

Spezitischer Energiebedarf von Drucklufterzeugern (Beispiel bei einern Luftvolumenstrorn von 5000 rn&/h) [8]

5.3

oberfl&chenbelUftungssysteme

Die Formgebung des Belebungsbeckens muss auf die Art der Oberflachenbeluftung (Rotor oder Kreisel) abgestimmt werden, damit ein groBtmoglicher Sauerstoffeintrag und -ertrag bei ausreichender Umwdzgeschwindigkeiterzielt wird. Nachfolgendwerden ubliche Ausfiihrungsformen von Oberflachenbeluftungssystemenmit den entsprechenden Belebungsbeckenformen dargestellt und konstruktive Einzelheiten diskutiert. 5.3.1

Rotoren in U m l a u k k e n

Heute werden Rotoren mit einem Durchmesser von 0,7 m bzw. 1,O m eingesetzt. Das Belebungsbeckenwird als Umlaufbecken mit einer Tiefe bis 4,O m und einer Beckenkanalbreite bis maximal 10 m ausgebildet. Der Abstand der Rotoren untereinander soll etwa 25 m betragen, damit eine stromungsmagige Beeinflussung zwischen zwei Walzen vermieden wird. Durch kitwande direkt hinter der Beluftungswalze wird erreicht, dass sauerstoffhaltigesAbwasser auch in tiefere Beckenzonen geleitet wird. Bremsbalken im Zustrom zur Walze sorgen f i r eine Reduzierung der Stromung im direktem Walzenbereich. Der beschriebene Einbau von kitwanden und Bremsbalken ist zur Erzielung von hohen Sauerstoffeintrags-und -ertragswerten unerlasslich. Mit einer Energiedichte von 30-40W/m3 lasst sich eine ausreichende Stromungsgeschwindigkeit von ungef2hr 30 cm/s im Umlaufbecken erreichen, so dass sich Belebtschlamm nicht absetzen kann. Durch Abdeckung des direkten Walzenbereichs lassen sich Belastigungen durch Urm und Aerosole sowie Betriebsprobleme im Winter durch Vereisung der Walze vermeiden. Aufgrund der guten Erfahrungen mit Rotoren in Umlaufbecken wurde dieses Beluftungssystem auch in Belebungsbekken mit einer Tiefe bis zu 7,s m eingesetzt. Zur Sicherstellung einer ausreichenden Stromungsgeschwindigkeitund zum Transport des Sauerstoffs von der Beckenoberflache zur Beckensohle werden Riihrwerke eingesetzt. 5.3.2 Kreisel in Mischbecken

Gleichzeitig mit der Entwicklung der modernen Rotoren wurde auch der Einsatz von Kreiselbeluftem vorangetrieben. Sie werden in Belebungsbecken mit (annahemd) quadratischem Grundriss eingebaut. In Abhangigkeit des Kreiseldurchmessers betragt die Tiefe des Belebungsbeckens zwischen 2,s-4,0 m. Die Breite bzw. Unge des Belebungsbecken ist ebenfalls vom Durchmesser des gewahlten Kreisels abhangig. Das Verhaltnis der Beckenbreite zur Beckentiefe sollte groBer vier sein, damit ein wirtschaftlicher Sauerstoffubergangund ausreichende Umwdzgeschwindigkeitenim Belebungsbecken erreicht werden konnen. In Belebungsbecken mit Volumen bis 500 m3 muss zur ausreichenden Umwtilzung eine kistungsdichte von 20 W/m3 in-

152

I

5 Be/u~ungseinrichtungen

stalliert sein. Bei einem Beckenvolumen von 2000 m3 ist nur noch eine Leistungsdichte von 10 W/m3 notwendig. Zur Beluftung groBerer Beckeneinheiten ist die Anordnung mehrerer Kreisel in rechteckigen Becken moglich. Zwischenwande zur Abgrenzung einzelner Kreisel sind nicht erforderlich, da sich selbstandig hydraulische Grenzlinien bilden und damit eine Zuordnung des Wasserkorpers zum jeweiligen Kreisel gegeben ist. Auf dem Beckenboden, direkt unter dem Kreisel, sollte zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen eine Stahlplatte, evtl. mit einem Leitkreuz, zur Stabilisierung der Stromung eingebaut werden. Zur Verhinderung von Belastigungen durch Aerosole und l r m sowie Vereisungsproblemen im Winter kann der Kreiselbereich oder das gesamte Beluftungsbecken abgedeckt werden. Eine Verringerung des Sauerstoffzufuhrvermogens durch eine vollstandige Abdeckung des Belebungsbeckens ist nicht zu envarten.

5.3.3

Kreisel in Urnlaufbecken

Bedingt durch die guten Erfahrungen mit der Abwasserreinigung in Umlaufbecken versuchte man auch Kreiselbelufterin diesem Beckentyp einzusetzen. Dies scheiterte aber daran, dass sich keine gerichtete Stromung im Umlaufkanal einstellen lieB. Erst die Entwicklungdes Carrouselbeckensermoglichte einen wirtschaftlichen Einsatz von Kreiselbeluftern in Umlaufbecken. Die Kreisel sorgen fur ausreichende Sauerstoffzufuhr und Stromungsgeschwindigkeiten von ungefahr 30 cm/s im Carrouselkanal, so dass sich kein Belebtschlamm absetzen kann. Dazu ist nur eine sehr geringe und damit wirtschaftliche Leistungsdichte von ungefahr 5 - 15 W/m3 notwendig. Beckentiefen bis zu 5 m und Kanalbreiten bis 10 m konnen baulich ausgefuhrt werden. Die Abdeckung des direkten Kreiselbereichs bewirkt einen wirksamen Aerosol-, l r m und Vereisungsschutz.

5.4

a-Werte von Drucklufi- und Oberfl&henbelufiungssysternen

Der a-Wert ist definiert als Verhaltnis des Beliiftungskoefizienten in Abwasser unter Betriebsbedingungen und in Reinwasser jeweils unter Standardbedingungen (20 "C, 1013,25hPa und 0 g/m3 Sauerstoffgehalt).Er ist bzw. kann von einer Vielzahl von Einflussparametern abhangig sein. Zu nennen sind beispielsweise: 0 0 0 0 0 0 0

Art des Beluftungssystems (Druckluft-,Oberflachenbeluftung, In- und Ejektoren) Konzentration an oberflachenaktiven Stoffen (Tenside, lipophile Stoffe) Geometrie des Belebungsbeckens (Breite, l n g e , Tiefe) Schlammalter bzw. Schlammbelastung im Belebungsbecken Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken Luftbeaufschlagung der Beluftungselemente Alter der Beluftungselemente

5.4 a-Wetie von Druckluft- und Oberflachenbelijftungssysternen

Wasserdurchsatz im Belebungsbecken Auslastungsgrad der Adage Eine eindeutige Zuordnung des Einflusses eines bestimmten Faktors auf den a-Wert selbst ist in der betrieblichen Praxis nicht moglich, da immer mehrere Faktoren zusammen wirken. So sind z. B. gemeinsame Einfliisse der Konzentrationen an oberflachenaktiven Stoffen, des Schlammalters bzw. der Schlammbelastung im Belebungsbecken und der Lufibeaufschlagung der Beliiftungselemente zu beobachten, die letztendlich einen bestimmten a-Wert bedingen. Zur Bestimmung des a-Wertesvon Beltiftungssystemen miissen Sauerstoffzufuhrmessungen in Reinwasser und unter Betriebsbedingungendurchgefiihrt werden. Dabei miissen die Randbedingungen wie Wasserstand im Belebungsbecken, Luftbeaufschlagung der Beliiftungselementeetc. gleich sein, damit reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden konnen. In der Literatur sind eine Vielzahl von Veroffentlichungenzur Thematik der a-Werte von Beliiftungssystemen zu finden. Akgrund der Unterschiede beziiglich des Prinzips des (Sauer)Stoffiibergangsin Wasser (Blasen im Wasser; Tropfen ins Wasser) liegt der a-Wert von Oberflachenbeliiftungssystemen mit Werten zwischen 0,9 0,95 knapp unter 1. Als Oberflachenbeluftungssystemewerden Walzen und Kreisel unterschiedlichster Bauart angesehen. Signifikantunterschiedliche a-Werte zwischen Walzen- und Kreiselbeluftungssystemenlassen sich aus den wenigen zur Verfiigung stehenden Daten nicht ableiten. Ublicherweise werden in modernen Abwasserbehandlungsanlagen feinblasige Druckluftbeliiftungssystemeinstalliert. Zur Veranschaulichung der Streubreite der a-Werte feinblasiger Druckluftbeliiftungssysteme wurden in Abb. 5.5 Ergebnisse von Sauerstoffeintragsmessungenzusammengestellt, wobei die a-Werte als Funktion des spezifischen Luftvolumenstromes dargestellt sind [9]. Bei der Wertung der Ergebnisse ist jedoch zu beriicksichtigen,dass die a-Werte alle an amerikanischen Anlagen bestimmt wurden. Dort sind aufgrund der hoheren Tageswassermengen andere Konzentrationen an oberflachenaktiven Stoffen im Vergleich zu Deutschland vorzufinden. Aus Abb. 5.5 ist zu erkennen, dass a-Wertetendenziell mit steigendem spezifischen Luftvolumenstrom niedriger sind. Die a-Werte bewegen sich insgesamt zwischen 0,7 und 0,25(!). Eine Abhangigkeit von der Form der Beliiftungselemente(Teller, Dome, Rohre) oder des Materials (Keramik,perforierte Membran) ist nicht zu erkennen. Die groBe Streubreite der a-Werte zeigt jedoch die groBe Vielfalt der Einflussfaktoren,wie sie oben beschrieben wurden. Von wesentlichem Einfluss auf den a-Wertesind die im Abwasser enthaltenen oberflachenaktiven Substanzen (Tenside, Detergentien). Da aber im Laufe der Abwasserreinigung ein Abbau dieser Stoffe stattfhdet, hat auch die Schlammbelastung bzw. das Schlammalter Einfluss auf die GroBe des a-Wertes. In nachfolgender Abb. 5.6 sind a-Werte feinblasiger Beltiftungssysteme als Funktion des Schlammalters aufgetragen. Zusammengefasst sind dort Ergebnisse von GILLOT [3] und Messungen des Institutes WAR auf den Abwasserbehandlungsanlagen Ahaus und Mumau.

I

153

154

I

5 Belu~ungseinrichtungen

n

A

hr

MA

A

A

0 A

0

010 A keramische Teller

A keramische Rohre

0 keramische Dome

0 perfor. Membran-Teller

0 perfor. Membran-Rohre 0,oo

0,50

Abb. 5.5

1,oo

1,50 2,oo 2,50 Luftvolumenstrom QL [m3/(m3h)]

3,OO

3,50

4900

a-Werte als Funktion des spezifischen Luftvolumenstromes [9]

1.o

0.8

13

0.6

0.2

0.0

5

10

20

15

Schlammalter[dl Abb. 5.6

a-Werte als Funktion des Schlammalters

25

30

35

5.4 a-Werte von Druckluft- und ObetjWchenbeluftungssystemen

Abbildung 5.6 zeigt, dass sich mit steigendem Schlammalter hohere a-Werte ergeben. So wird beispielweise bei einem niedrigem Schlammalter von drei Tagen ein aWert von 0,3 und bei einem hohem Schlammalter von 25 Tagen ein a-Wert von 0,85 festgestellt. Es ist anzunehmen, dass bei hohen Schlammaltern ein weitergehender biologischer Abbau der oberflachenaktiven Stoffen mit dann nur noch geringem Einfluss auf den a-Wert stattfhdet. Damit ist zu schlussfolgern,dass sich im Vergleich zu Kohlenstoff abbauenden Anlagen bei Behandlungsanlagen mit weitgehender Stickstoffelimination unter ansonsten gleichen Zulaufbedingungen hohere a-Werte ergeben. Ahnlich hohe a-Werte miissten bei Anlagen mit Schlammstabilisationgemessen werden. Die letzte relevante Arbeit hinsichtlich a-Werte feinblasiger Beliiftungssystemen wurde von REICHERT [lo]verfasst. Eine der wesentlichen Aussagen der Untersuchung liegt darin, dass der a-Wert keine Konstante darstellt, sondern im Tages-, Wochenund Monatsgang schwankt. Bei der Bemessung von Belhngssystemen muss diese Tatsache entsprechendberiicksichtigt werden. In Abb. 5.7 sind beispielhaft a-Wertein Abhangigkeit der Zeit und der Messstelle aufgetragen.Wiihrend sich Kaskade 2 , Teil9 im Zulaufbereich der Anlage befindet, sind Kaskade 1,Teil 1 und Kaskade 2 Teill2 im Ablaufbereich des Belebungsbeckens angeordnet. Die Auftragungen in Abb.5.7 zeigen, dass a-Werte keine konstanten sondern dynamische Grogen darstellen. So ergeben sich beispielsweise aus Abb. 5.7 zeitliche Schwankungen des a-Wertes im Zulaufbereich von 0,35-0,s. Im Ablaufbereich schwanken die a-Werte zwischen 0,s und 0,75.

1 .o

~~

I

I

-Kaskade

1

1, Teil 1

I

I

+KaskaUe 2, Teil9

-Kaskade

2, Teil 12

I

0.8

-

0.6

I

5

B

0.4

b 0.2

0.0 0o:oo

04:OO

08:OO

12:oo

Zelt Abb. 5.7

a-Werte als Funktion der Zeit [lo]

[-I

16:OO

20:oo

0o:oo

I

155

156

I

5 Belu~ungseinrichtungen Tab. 5.1 a-Werte in Belebungsbecken rnit getrennter Urnwalzung und Beluftung

ABA

Mischverhalhisse

Schlammalter

Luftvolumenstrom

a-Werte

[-I

1-1

[dl

[m3/mk . h]

[-I

Murnau Ahaus Wiesbaden

Umlaufbecken Umlaufbecken voll durchmischt

30 25 8- 15

0.67 0,37 0,16- 1,43

0.80-0.87 0,36-0,66

0,84

a-Werte von Druckluffbeliiftungssystemen rnit getrennter Beliiftung und UmwPlzung

Druckluftbeluftungssysteme mit getrennter Beluftung und Umwalzung werden vorrangig in Abwasserbehandlungsanlagen mit simultaner Nitrifikation/Denitifikation eingesetzt. Ergebnisse von Sauerstoffeintragsmessungen in Reinwasser und unter Betriebsbedingungen stehen nur in sehr eingeschranktem MaBe zur Verfugung. Aus den wenigen verlasslichen Messergebnissen (s. Tab. 5.1) lassen sich nachfolgende Aussagen treffen [ll]. Werden die in Tab. 5.1 aufgefiihrten a-Werte verglichen, ist zu erkennen, dass sowohl das Schlammalter als auch die Mischungsverhaltnisse (Umlaufbecken, voll durchmischt) einen Einfluss ausuben. In den Anlagen mit Umlaufbecken und hohem Schlammalter ergeben sich hohere a-Werte als in der Anlage mit niedrigem Schlammalter und voll durchmischten Belebungsbecken. Auf a-Werte in Membranbelebungsanlagen mit sehr hohen Trockensubstanzkonzentrationen mit entsprechenden Viskosiuten wird hier nicht eingegangen. Es wird auf die Literatur verwiesen (z. B. [12]).

5.5

Modifizierte Richtwetttabelle

Auf der Grundlage von etwa 300 Sauerstoffzufuhrmessungenin 85 Abwasserbehandlungsanlagen wurde sowohl fur Druckluftbeluftungssysteme als auch fur Oberflachenbeluftungssysteme in unterschiedlichen Ausfiihrungsformen eine Richtwerttabelle mit Sauerstoffeintragen und -ertragen in Reinwasser und unter Betiebsbedingungen aufgestellt [13]. Auf Grundlage dieser Tabelle wurde von WAGNER [14] eine modifizierte Richtwerttabelle veroffentlicht (s. Tab. 5.2). Die Modifizierung wurde notwendig, da die Ergebnisse der Sauerstoffzufuhrmessungen,mit der die Richtwerttabelle von 1989 erstellt wurde, vor 1989 durchgefiihrt wurden. Da sich insbesondere bei der Druckluftbeluftungdurch die Weiterentwicklung der Membranbeluftungselemente und der Drucklufterzeugernicht unerhebliche Leistungssteigerungenergeben haben, sind heute spezifische Sauerstoffausnutzungsgrade (%/m) und Sauerstoffertrage (kglkwh) zu erreichen, die um bis zu 40% uber denjenigen Werten liegen, die in der Richtwerttabelle von 1989 angegeben wurden. Diese hohen Werte sind ausschlielSlich in solchen Fallen zu erreichen, wenn Beluftungselemente installiert werden, die optimal abgasen und gleichzeitig Drucklufterzeuger mit sehr niedrigem

5.5 Modijzierte Richtwerttubelle

spezifischen Leistungsbedarf zum Einsatz kommen. Im Falle von Beliiftungssystemen mit getrennter Umwalzung miissen Riihrwerke installiert werden, die ein Durchdringen der beim Beliiften entstehenden Luftblasenwandgewhleisten, damit eine Umlauflaufstromung in den Umlaufkanalen erzeugt wird. Steigerungen der LeistungsGhigkeit von Oberflachenbeliiftungssystemen im Vergleich zum Jahr 1989 wurden nicht beobachtet. Geht man von den 0.g. etwa 40 % hoheren Werten f i r Sauerstoffausnutzungsgrade und Sauerstoffertrage aus, ergibt sich eine modifizierte Richtwerttabelle ftir Druckluftbeliiftungssysteme (Tab. 5.2a) und Oberflachenbeliiftungssysteme (Tab. 5.2b). Breitbandbeliiftungssysteme werden in Tab. 5.2 aufgrund der Tatsache, dass sie nur noch in speziellen Einzelfaen eingesetzt werden, nicht mehr beriicksichtigt. Wird die modifizierte Richtwerttabelle zur Auswahl von Beltiftungssystemen herangezogen, ist unbedingt zu beachten, dass im Einzelfall selbstversGndlich sowohl hohere als auch niedrigere Sauerstoffausnutzungsgrade und Sauerstoffertrage festgestellt werden konnen. Beide Kennzahlen hangen bei Druckluftbeliiftungssystemen von der Abstimmung zwischen Luftbeaufschlagung der Elemente, Belegungsdichte, Wassertiefe, Abgasverhalten, Art der Drucklufterzeugung, Einbau von Schiebem etc. ab.

Tab. 5.2a

Modifizierte Richtwerttabelle fur Druckluftbeliiftungssysterne

Leistungstabelle f i r Drudduftbeliifhmgssysteme System

giinstig qn, I%/ml

Reinwasserbedingungen Flachendeckende Elemente Flachendeck. Folienplatten Umwalzung und Beluftung Betriebsbdingungen Flachendeckende Elemente Flachendeck. Folienplatten Umwalzung und Beluftung

Tab. 5.2b

8,O

10,6 6,7 4,8 64 4,1

Richtwerttabelle fur Oberflachenbeliiftungssysterne

Leistungstabelle fiir Oberflachenbeliiftungssysterne [alle Werte in kg 0 2 / k W ] System

Kreisel in Mischbecken Kreisel in Umlaufbecken Walzen in Umlaufbecken

Reinwasser

Betrieb

giinstig

mittel

giinstig

mittel

1,7 2.1 1,7

1.3 1.6

1.5 1,9

1,3

1s

1,15 1,4 1,15

I

157

158

I

5 Belu~ungseinrichtungen

5.6 Bernessung von Beliiffungssystemen

Das Prinzip der Bemessung von Beluftungssystemen beruht darauf, dass der Sauerstoffeintrag des Systems unter Betriebsbedingungen OC,, [kg O,/h] gleich dem vorhandenen Spitzen-SauerstoflbedarfOVsp [kg O,/h] unter den maggebenden Bemessungsbedingungen ist. Bei der Bemessung wird das erforderliche Sauerstoffzufuhrvermogen unter Betiebsbedingungen OC,, in das erforderliche stundardisierte Sauerstoffzufuhrvermogen OC des Beluftungssystems umgerechnet:

oc,,

=

ovsp

Die standardisierten Bedingungen sind Reinwasser, Sauerstoffgehalt c = 0 mg/L, Temperatur = 20 "C, Luftdruck 1013,25hPa und ein Wasseriiberdruck,wie er im Belebungsbecken vorhanden ist. Grundlage der Bemessung sind folgende Gleichungen:

wobei (kLa), = (k,a),, . e(T-20) (k,a), c,,~

fd a

e

Beluftungskoeffizient bei T bzw. 20°C Sauerstoffsattigungskonzentrationbei T bzw. 20 "C Tiefenfaktor zur Beriicksichtigung des Einflusses des Wasseriiberdrucks auf c ~ , ~ S auerstoffzufuhrfaktor (a-Faktor , a-Wert) Temperaturkoeffizient: (0-Wert)0 = 1,024

Der Einfluss des Wasseriiberdrucks im Becken auf die Sauerstoffsattigungskonzentration c ~ im, Bereich ~ der Luftblasen, die ins Wasser eingeblasen oder eingeschlagen werden, wird uber den Tiefenfaktor fd beriicksichtigt. Der zusatzliche Einfluss von Luftdruckanderungen wird ublichenveise vernachlassigt. Bei feinblasigen flachendeckenden Druckluftbeluftungssystemen wird die halbe Eintauchtiefe d, zur Ermittlung des Einflusses des Wasseriiberdrucks auf die Sattigungskonzentration angesetzt:

fd

1

1

+ 0,s . d,/10,33 = 1 + d,/20,7 [-I

(5.4)

Dagegen wurde bei Oberflachenbeluftungssystemenfestgestellt,dass der maggebende Druck in 7% der Beckentiefe h,, auftitt:

5.5 Modijzierte Richtwerttabelle

fd = 1 + 0,07. hBB/10,33= 1 + hBB/150[-]

(5.5)

fd . cs,T [g/m’] fd . cs,20 [g/m31

Die wirksame Sauerstoffsattigungskonzentrationbetragt und unter Standardbedingungen

Insgesamt ergibt sich damit ftir den erforderlichen Sauerstoffeintragunter Standardbedingungen OC in Abhangigkeit des Spitzen-Sauerstoflhdarfs OVsp unter den dafiir ermittelten Betriebsbedingungen einschlieglich des a-Wertes:

oc = ovsp ‘

fd . cs,20

& . cs,T - 6) . e(T-20) .a

k/hI

Dieser errechnete erforderliche Sauerstoffeintrag ist den Ausriisterfirmen anzugeben, damit die konstruktive Umsetzung in ein geeignetes Beluftungssystem vorgenommen werden kann.

Zur Verdeutlichung des prinzipiellen Bemessungsganges ist folgendes Beispiel angegeben. maggebende Temperatur: Sauerstoffsattigungskonzentration

T = 15°C cs,20= 9,09 mg/L cs Is = 10,08 mg/L

Temperaturkorrektur Beluftungskoeffizient erforderlicher Sauerstoffgehalt Druckluftbeluftung (d, = 5 m) Sauerstoffzufuhrfaktor (a-Wert)

o(is-20) = 0,888 c = 2,O mg/L fd = 1 5/20,7 = 1,24 a = 0,6

oc = ovsp.

+

1,24.9,09 = 2,015. OVsp (1,24. 10,OS - 2) . 1,024(’5-20). 0,6

Das Beispiel zeigt, dass das maggebende standardisierte Sauerstoffzufuhrvermogen des Beluftungssystems etwa das zweifache des Spitzen-Sauerstoffbedarfs betragt.

Bemessung der DruckluffbelUftung

Die nahere Bemessung der Druckluftbeluftungerfolgt uber den Kennwert spezifische Sauerstoffaufnahme SSA [g 02/(m: . m)] oder uber den spezifischen Sauerstoffausnutzungsgrad qoz [%/m]. Der spezifische Sauerstoffausnutzungsgrad l a s t sich aus der spezifischen Sauerstoffaufnahme berechnen (qo2 = SSA/3; da 300 g 0 2 / m i ) . Diese Kennwerte konnen aus der modifizierten Richtwerttaklle entnommen werden oder werden von Ausriistungsfirmen angegeben. Aus der obigen Definition der spezifischen Sauerstoffaufnahme SSA [g 0 2 / (mi: . m)] ergibt sich mit dem Sauerstoffeintrag OC [kg O,/h]:

I

159

160

I

5 Belu~ungseinrichtungen

(5.7) und damit der erforderliche Luftvolumenstrom 1000.

oc 1000 oc -

SSA.de

'

3.qO2.d,

[mi/hI

Da der Sauerstoffeintrag bereits fur Betriebsbedingungen ermittelt wurde, mussen fur die spezifische Sauerstoffaufnahme SSA bzw. f i r den spezifischen Sauerstoffausnutzungsgrad qozdie ,,Reinwasserwerte"aus der modifizierten Richtwerttabelleoder Herstellerangaben angesetzt werden. Dies gilt auch fur die angegebenen Werte des Sauerstoffertrags[kg O,/kWh], die jeweils auf die Brutto-Leistungsaufnahmeaus dem Netz bezogen sind. Die Anzahl der Beliijungselernente folgt aus der Luftaustrittsgeschwindigkeitund der Abgasungsflache der Beluftungselemente 0

0

Luj-AustrittsgeschwindigkeitvL ( m i / h Luft je m2 Belufterflache: m/h) vL = 20 - 60 m/h Abgasungsflache der Beliiftungselemente A, (0,05-0,30 m2 je Element)

Damit ergibt sich die Anzahl der Beliiftungselemente n: (5.9)

Der erforderliche Luftvolumenstrom ist hier als uorzuhaltender Spitzenwert abgeleitet und sollte bei maximal vertretbarer Austrittsgeschwindigkeit vL erreicht werden. Zur Anpassung des Sauerstoffeintrags an die Erfordernisse von Nitriikation und Denitriikation ist ein groJer Regelbereich (mindestens ca. 1:lO) erforderlich. In Becken mit Wechselnutzung ist ein langerfristiges vollstandiges Abschalten der Beliijung ohne Verstopfung der Beluftungselemente unbedingte Voraussetzung.

5.7

Tendenten und Perspektiven bei der Beliifiungstechnik

Aus den bisherigen Darlegungen lassen sich nachfolgende Schlussfolgerungen und Perspektiven ableiten, die fur Druckluft- und Oberflachenbeluftungssysteme sowie Injektoren und Ejektoren gultig sind: Bei Drucklujbelujungssystemenist zur Erzielung eines moglichst hohen Sauerstoffeintrags und -ertrags zu beachten, dass Beluftungselemente installiert werden, die auch bei geringen Luftvolumenstromen gleichmafiig abgasen. Weiterhin mussen auf die ortlichen Verhaltnisse optimal abgestimmte Drucklufterzeuger mit niedrigen spezifischen Leistungsaufnahmen [Wh/mi . m] eingesetzt werden. Belebungsbecken mit groger Wassertiefe (> 8 m) weisen gegenuber Becken mit niedriger Wassertiefe

5.7 Tendenzen und Perspektiven be; der 6eluJungstechn;k

deutlich geringere Luftvolumenstrome zur Abdeckung des erforderlichen Sauerstoffeintrags auf. Maximale Sauerstoffertrage bei der kommunalen Abwasserreinigung werden bei einer Wassertiefe von etwa 10 m erreicht. Eine Entscheidung fur tiefe Belebungsbecken ausschlieglich aus Griinden einer wirtschaftlichen Beluftung sollte jedoch im Einzelfall sehr genau gepriift werden. In Umlaufbecken mit getrennter Beliiftung und Umwdzung ergibt sich mit zunehmender Wassergeschwindigkeit ein hoherer Sauerstoffeintrag. Ob sich auch ein hoherer Sauerstoffertrag einstellt, hangt im wesentlichen davon ab, ob die Erhohung der Umlaufgeschwindigkeit mit Rarwerken mit geringer Leistungsaufnahme erzielt werden kann. Die biologische Belegung der Oberflachenvon Membran-Beluftungselementenaus EPDM stellt zunehmend ein groBes Problem dar. Bei einer Vielzahl von Abwasserbehandlungsanlagen ist die Sauerstofiersorgung der Mikroorganismen in so starkem MaBe gestort, dass eine stabile Nitrifhtion nicht mehr gewiihrleistet werden kann. Als Ursache kann nach ersten biologischen (mikroskopischen) Untersuchungen angenommen werden, dass sich bei bei unterbelasteten Abwasserbehandlungsanlagen und damit sehr niedrig belasteten Beliifhngselementen bezuglich des Luftvolumenstromes Bakterien ansiedeln. Die Bakterien entziehen der EPDM-Membran die Weichmacher, so dass sich die Membran nicht mehr ausdehnen kann, was zum Druckanstieg im gesamten Rohrleitungssystemftihrt. Da auf den Beliiftungselementen Bakterien angewachsen sind, siedeln sich dort hohere Mikroorganismen an, so dass es zu einer zunehmenden Belegung der Membran kommt. Zur Zeit konnen die Schaden nur behoben werden, wenn die belegten Elemente mit EPDM-Membranen gegen Membranen aus Silikon ausgetauscht werden. Ob sich neuentwickelte weichmacherarme Membranen aus EPDM oder aus Polyurethan (PU) im Vergleich zu Silikonmembranen bewiihren, wird die betriebliche Praxis aufzeigen. OberJachenbeluJungssysteme werden insbesondereim Ausland vorrangig eingesetzt, wenn nicht gewfirleistet ist, dass Druckl~erzeugerregelmagig gewartet werden. Obwohl die Sauerstoffeintragein Reinwasser wesentlich niedriger als bei Druckluftbeluftungssystemen sind, ergeben sich unter Betriebsbedingungenaufgrund deutlich hoherer d-Werte nur geringfugig niedrigere Sauerstoffeintrage.Insgesamt ist jedoch festzustellen, dass der Einsatz von Oberflachenbeluftungssystemen im Vergleich zu Druckluftbeluftungssystemen in Deutschland gegenwartig riicklaufig ist. Im augereuropaischen Raum nimmt dagegen der Einsatz von Oberflachenbeluftungssystemen (mit Ausnahme von extrem grogen Abwasserbehandlungsanlagen) zu. Obwohl auch heute noch Abwasserbehandlungsanlagen mit Kreiseln in Mischbecken gebaut werden, werden vorrangig Anlagen mit Walzen in Umlaufbecken installiert. Ob Walzen in Umlaufbecken mit einer Wassertiefe uber 4 m zukiinftig eingesetzt werden, kann heute nicht abschliegend geklart werden. Der Einsatz von Injektoren und Ejektoren ist vorrangig aufkleinere Abwasserbehandlungsanlagen beschrankt. Insbesondere bei Injektoren ist auf eine evtl. Zerstorung der Belebtschlammflocken zu achten. So ist z. B. von Abwasserbehandlungsanlagen der chemischen Industrie eine Verschlechtemng des Absetzens des belebten Schlammes im Nachklarbecken beim Einsatz von Injektoren bekannt. Diesbezuglich kann von einer desintegrierendenWirkung durch Injektoren gesprochen werden, die bei fadenformigen Bakterien im Belebungsbecken durchaus von Nutzen sein kann. Die bei

I

161

162

I

5 Belu~ungseinrichtungen

Desintegrationsanlagenfestzustellende Erhohung der CSB- und Stickstoffkonzentrationen wurde jedoch nicht beobachtet. Allgemein ist festzustellen, dass bei Druckluftbeliiftungssystemendie in der Richtwerttabelle von Beluftungssystemen von 1989 angegebenen Sauerstoffeintrage und Sauerstoffertrageheute deutlich uberschritten werden, wenn gleichmagig abgasende Beluftungselemente und Dmcklufterzeuger mit geringen Energiebedarf eingesetzt werden. Generelle Leistungssteigerungen von Oberflachenbeliiftungssystemen wurden jedoch nicht beobachtet.

5.8 Zusammenfissung

Bei der biologischen Abwasserreinigung mit Stickstoff- und Phosphorelimination sind betriebssichere Beluftungssysteme unabdingbare Voraussetzung fur niedrige Ablaufkonzentrationen. Moderne Druckluftbeluftungssysteme geben die Gewahr, dass Sauerstoff kostengiinstig in das Abwasser eingetragen werden kann. Probleme ergeben sich seit kurzem mit Beluftungsmembranen aus EPDM, die besonders in extrem niedrig belasteten Abwasserbehandlungsanlagen mit einem biologischen Belag uberzogen werden. Erste biologische Untersuchungen zeigen einen Belag, der aus Bakterien mit extrazellularen polymeren Substanzen und hoheren Mikroorganismen besteht. Aufgrund der Besiedlung mit Bakterien und extrazellularen partikularen Substanzen (EPS)kann geschlossen werden, dass diese die Weichmacher aus der EPDMMembran herauslosen, so dass die Membran sich nicht mehr ausdehnen kann und ein Druckanstieg im Rohrleitungssystem die Folge ist. Teilweise kann aufgrund der Belagsbildung die Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen in der suspendierten Phase im Belebungsbecken nicht mehr sichergestelltwerden. Als bisher einzige Magnahme zur Behebung der Schaden ist der Austausch der EPDM-Membranen gegen Membranen aus Silikon zu sehen. Moderne Systeme mit Oberflachenbeluftunglassen sich in drei Gruppen einteilen: Kreisel in Mischbecken; Kreisel in Umlaufbecken und Walzen in Umlaufbecken. Insgesamt sind die Sauerstoffertragswertegeringer als die mit Druckluftbeliiftungssystemen erzielbaren. Die Entwicklung bei Injektoren ist vor dem Hintergrund einer evtl. desintegrierenden Wirkung, d. h. der Zerstorung von Belebtschlammflocken zu sehen. Insbesondere bei fadigem Schlamm konnen Injektoren diesbezuglich als positiv eingestuft werden. Mogliche Sauerstoffeintrage und -ertrage von Druckluft- und Oberflachenbeliiftungssystemen verschiedener Ausfuhrungsformen sind fur Reinwasser- und unter Betriebsbedingungen in einer modifizierten Richtwerttabelle angegeben, wobei heute aufgrund besser abgasender Beluftungselemente und Drucklufterzeuger mit geringem Energiebedarf hohere Werte erreicht werden. Die angegebenen Einflussfaktoren auf den a-Wert (insbesondere bei Druckluftbeliiftungssystemen)ermoglichen eine realistische Abschatzung hinsichtlich des Zahlenwertes, so dass mit der beschriebenen Vorgehensweise bei der Bemessung kostengiinstige und betriebssichere Beluftungssysteme installiert werden konnen.

5.8 Zusommenfossung

Literatur [I] BOYLE,W.C.: Fine Pore Aeration Systems (Design Manual), US: Environmental Protection

Agency, Cincinnati, 1989. [2]POPEL,H.J., WAGNER, M., WEIDMANN, F.: gwfWasser/Abwasser 139, 4, 1998, 189-197. [3] GILLOT, S.: Transjer d'oxygene en boues actiuees par insustion d'air mesure et elements d'interpretation. Ecole doctorale de Sciences Physiques et Chimiques, et dIngenierie, Universite Paris XII, 1997. G., DUCHENE, P., RAMEL, C.: Wat. Sc. Tech. 30, 4, 1994, 89-96. [4]DA SILVA-DERONZIER, [5] MANTOVANI, A.: Aeration e$%km), in horizontalw systems and other non-fillJoor coverage aeration systems, Nopon Aeration Conference, Helsinki, 02.10.2000. 161 WAGNER, M.:Belagsbildung auffeinblasigen Dtzukluf~llfungsekmenkmmit EPDM-Membranen, Wasser, Luft, Boden (WLB), Marz 2001. M.: "Belagsbildung auf Beliifhmgselementen mit EPDM-Membranen" in: Aktiue [7]WAGNER, Zukunfsgestaltung durch Umwelt-und Raumplanung, Festschnf zum 60. Geburtstug uon Prof:Dr.Ing, Hans Reiner Bbhm, Schriftenreihe WAR, Darmstadt, Bd. 131, 2001,S. 323-331. [8]WAGNER, M.:Sauentoffeintrag und Sauentoffertrag von Betiijhgssystemen und deren Bestimmung mit modernen MejJmethoden, Schriftenreihe WAR, Darmstadt, Bd. 100, 1997. [9]REDMON, D.: U-valuesfor dtflerent type ofaeration equipment and waste waten, Nopon Aeration Conference, Rom, 04.05.1998. [lo] REICHERT.I.: Bilanzierung des Sauentofiintrags und des Sauentofierbrauchs mit Hi& der Ablufmethode, Schriftenreihe WAR, Darmstadt, Bd. 96,1997. 1111 WAGNER, M.:Facton in&xcing the magnitude of a-values, Nopon Aeration Conference, Rom, 04.05.1998. [12]WAGNER, M., CORNEL, P., KRAUSE, S.: KA Wasserwirtschaj, Abwasser, Abjdl, 48, Nr. 11, 2001, 1573-1579. [13] POPEL, H.J., WAGNER. M.: Korrespondenz Abwasser 36, 1989,453-457 und 582-590. M.:Sauentoffeintrag in Abwasserbehandlungsanlagen - Leistungsflhigkeit uon Beliif[14]WAGNER, tungssystemen in: Wasserkalender 2001,Erich Schmitt Verlag, Berlin, 110- 137.

I

163

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6

Wirtschafllicher Betrieb von DrehkolbengeblQsen Knuth Thiele

6.1

Uberblick

Im folgenden werden die Grundlagen der Funktion von Drehkolbengeblasen betrachtet, der spezifische Leistungsbedarfvon 2- und 3-Fluglern erklart, und die Anforderung an Rotorprofile von Drehkolbengeblasen erlautert. Basierend auf diesen technischen Grundlagen werden Grundsatzparameter und deren Zusammenhang betrachtet. Als Folge davon werden die technischen Parameter fur die Auslegung von Geblasen erlautert, dies insbesondere im Hinblick auf energieefizienten Einsatz der Geblase auf Anlagen. Ein typisches Kennlinienfeld eines Drehkolbengeblases wird erortert. Weiterhin werden Ausstattungen, die ublicherweise bei Drehkolbengeblasen beriicksichtigt werden mussen, erklart. In einem weiteren Abschnitt wird die detaillierte technische Ausstattung von Drehkolbengeblaseblockensowie Geblaseaggregaten beschrieben. Es werden einige Tipps ftir eine betriebssichere und wirtschaftliche Ausstattung der Geblase gegeben, a d e r dem Schalldampferkonzepteerlautert und die Instrumentierung festgelegt. Augerdem wird die erforderliche Maschinenraumbeliiftung in einem Geblaseraum dargestellt. Ein kurzer Abriss folgt zu Frequenzumrichtern,deren Prinzipaufbau und deren Zusammenwirken mit dem Drehkolbengeblase zur Ausregelung, z. B. fiir Sauerstoffbedarfsregelung.

6.2

Funktionsprinzip

Grundsatzlich ist zu bemerken, dass dieses Prinzip bereits im 19. Jahrhundert bekannt war. Die als Roots- bzw. Drehkolbengeblase bekannten Maschinen bezeichnet man deshalb nicht als Kompressoren, da es sich nicht um Maschinen mit innerer Verdichtung handelt. Es werden vergleichsweise geringe Druckerhohungen von bis zu 1000 mbar erreicht.

166

I

6 Wirtschaftlicher Betrieb uon Drehkolbengeblusen

Untersucht man benachbarte Techniken im Hinblick auf das erreichbare Druckniveau, so kann man einerseits von Seitenkanalgeblasen und andererseits von trokkenlaufenden Schraubenkompressoren oder Turbo-Kompressorensprechen. Das Seitenkanalgeblase hat als Stromungsmaschine eine dynamische Arbeitsweise, der wirtschaftliche Einsatz derselben ist auf 200- 300 mbar Druckdifferenz begrenzt. Mit trockenlaufenden Schraubenkompressoren erhalt man ein zirka doppelt so hohes Verdichtungsverhaltniswie beim Drehkolbengeblase. Das liegt daran, dass diese Maschine eine innere Verdichtung hat. Der Nachteil des Schraubenkompressors liegt in einem deutlich kleineren Fordervolumen bezogen auf das Blockvolumen; dadurch werden nur geringere Liefermengen erreicht. Dem gegenuber erreicht man mit Turbo-Kompressorendeutlich grogere Liefermengen als bei Drehkolbengeblasen bei gleichen Bauvolumen; dafur sind technisch deutlich kompliziertere Losungen (Drehzahl dieser Maschinen am Rotor liegt bei 20 000 min-' gegenuber Drehkolbengeblasen 3 5000 min-') notig. Die Arbeitsweise von Drehkolbengeblasen ist in Abb. 6.1 dargestellt. Im Prinzip besteht das Herzstiick des Drehkolbengeblases, der Geblaseblock, aus Drehkolben und dem Gehause. Das Gehause hat eine Saug- und eine Druckseite. Die Rotoren, auch als Drehkolben bezeichnet, drehen sich gegenlaufig und sind eng vom Gehause umschlossen. Die Rotoren sind durch Synchronrader miteinander verbunden, deshalb walzen sich diese Rotoren an ihren Profilbereichen aufeinander ab, ohne sich dabei zu beriihren. Die Rotoren mussen innerhalb des Forderraumes deshalb nicht geschmiert werden. Dadurch erreicht man eine trockene Verdichtung; ein Verunreinigen des Fordermediums ist somit ausgeschlossen. Durch dieses sogenannte Verdrangerprinzip erreicht man einen nahezu konstanten Volumenstrom bei verschiedenen Gegendriicken. Es sind 2- und 3-fluglige Rotoren moglich. Wichtig an diesem Prinzip ist, dass dieser Geblaseblock durch Nichtvorhandensein von Schmiermittel ausschlieBlich luftgektihlt ist. Das ist bei der weiteren Auslegung unbedingt zu beachten. Die Forderung verlauft so, dass die Forderkammer, in die das angesaugte Medium einstromt, begrenzt wird durch den Rotor einerseits, andererseits durch die Gehausewandung. Sobald der Rotorkopf die Saugseite (s. Abb. 6.1) erreicht hat, ist die Forderkammer zur Saugseite hin geschlossen. Dreht der Rotor nun weiter, streicht der untere Rotorkopf an der druckseitigen Steuerkantevorbei. Dadurch wird die Verbindung zur Druckseite freigegeben. Der wichtige Punkt ist nun, dass das Forderkammervolumen wahrend der Bewegung von Saug- auf Druckseite nicht verandert wird; eine innere Verdichtung findet somit nicht statt. Die Verdichtung geschieht erst durch den

Abb. 6.1

Forderprinzip

6.2 Funktionspn'nzip

anschliegenden Druckausgleich. Dieser stellt sich beim Offnen der Forderkammer zur Druckseite hin ein. Das heifit, dass bereits verdichtetes Medium von der Druckseite, also konkret dem Druckstutzen, und damit der angeschlossenen Rohrleitung mit hoher Geschwindigkeit in die Forderkammer einstromt - und zwar solange, bis es zum Druckausgleich kommt. Dieses ,Wiedereinstromen", das heifit die eigentliche Umkehr der Stromungsrichtung, fiihrt zu unerwiinschten Pulsationen in der Forderleitung. Auf jeden Fall wird durch den Gegenrotor ein Zuriickstromen bis zur Saugseite verhindert, das heigt dass die geforderte Gasmenge nahezu vollsandig zur Druckseite ausgeschoben wird. Bei 2-flugligen Geblben wiederholt sich dieser Vorgang viermal, bei 3-flugligen Geblasen sechsmal pro Umdrehung. Wie entsteht nun der eigentliche Druck im Druckstutzen der Maschine? Dam ein Praxisbeispiel aus dem Bereich der Klaranlagen: Das Geblase fordert Luft in die angeschlossene Rohrleitung, dadurch entstehen Stromungsverluste.Die Rohrleitung befindet sich einige Meter unter der Wasseroberflache. Damit die Luft austreten kann, muss sie den Druck des aufihr lastenden Wassers uberwinden (z. B. bedeuten 5 m Wasserhohe einen notigen Gegendruck von 500 mbar). Auf3erdem stellen die Belufter je nach Bauart einen Zusatzdruckverlust von ca. 20 (Neuzustand)- ca. 80 (nach einiger Betriebszeit in Jahren) mbar dar. Indem also die Geblaseluft durch die beschriebene Anordnung stromen muss, entsteht durch die Luftforderung der entsprechende Gegendruck. Dieser bewirkt dann die Verdichtung der Luft in der Forderkammer. Nun werden die unterschiedlichen Eigenschaften von 2- und 3-Fluglern besprochen. Wie beschrieben ist die Hauptursache dieser starken Pulsation im DruckstutZen der Moment des Druckausgleiches von der Forderkammer (Ansaugdruck liegt vor) zum Druck auf der Druckseite (Betriebsdruck der Adage liegt vor). Deshalb ist in den letzten Jahrzehnten versucht worden, diesen Vorgang sanfter im Hinblick auf den Druckausgleich vonstatten gehen zu lassen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die zwischen Saug- und Druckseite befindliche Forderkammer schon mit Druck der Druckseite beaufschlagt wird. D a b wird ein spezieller Kanal im Gehause des Geblaseblockes eingebracht. Im Idealfalle sollte bis zum endgultigen Offnen der Druckseite dieser Druckausgleich abgeschlossen sein. Bei 2-flugligen Rotoren ist diese Vorgehensweise nicht moglich, da bei Einstromen von Luft aus der Druckseite kein Abschluss durch den 2. Rotorflugel zur Saugseite hin moglich ist. Bei 3-flugligen Rotoren sind die Rotorspitzen lediglich um 120" zueinander verdreht, dadurch lassen sich Uberstromkanae realisieren, die - wenn sie innerhalb eines Drehwinkels von nur GO" angeordnet werden - kein Durchstromen von Luft der Druckseite auf die Saugseite erlauben. Dadurch wird die Effkienz des Geblases durch Verluste auf die Saugseite nicht behindert. Die Konstnhon dieser Kanale wird im allgemeinen gerechnet, wichtig ist aber auch ein hohes Mag an empirischer Arbeit. Denn der Querschnitt der Kanale muss so bemessen sein, dass einerseits der Druckausgleich nicht schlagartig erfolgt, denn dann wiirde wieder Pulsation auftreten. Andererseits darf er auch nicht so langsam gehen, dass effektiv kaum Druckausgleich statthdet. Ideal ist somit die Anordnung von Stromungskanalen, die auf den jeweiligen Betriebspunkt abgestimmt sind. In der Praxis greifen die Hersteller von Dreh-

I

167

168

I

6 Wirtschuftlicher fletrieb von Drehkolbengeblasen

kolbengeblasen auf eine verniinftige Konfiguration uber den erforderlichen Drehzahlbereich zuriick (Abb. 6.2). In Abb. 6.3 wird das erreichte Pulsationsniveau an der Druckseite eines Geblaseblockes bei 2- und 3-Fliiglern dargestellt. Die dunklere Kurve zeigt den deutlich flacheren Verlauf der 3-fliigeligenAusfuhrung. Die Kurve des 3-Fluglers zeigt eine Reduzierung der Pulsation auf ca. 1/3. Erwahnenswert aus Abb. 6.3 ist doch die insgesamt beachtliche Varianz im Druck. So reicht der Uberdruck eines 2-Fluglers von 700 - 200 mbar, dies jedoch in auBert kurzen Zeiten, innerhalb von 2/100 s (das ist eine vollstandige Umdrehung der Rotoren).

re nc u

+.

~bertri3mkanal

Abb. 6.2

Druckseite

Prinzipvergleich

Druck abs [mbar] 1800

I

1700

1600

1500

1400

1300

1200

Y

1 Umdrehung r

1100

I

0,Ol

0 Messung im Blockdruckstutzen

Abb. 6.3

Messung Pulsation

Zeit [sec]

0.05

0,02 500 mbar, 3300 llmin 1 Umdr.= 0,018 sec

6.2 Funktionsprinzip I169

Da jedoch die 3-flugligen Rotoren mehr Raum im Geblaseblock benotigen, muss im allgemeinen fur gleiche Liefermengen der Drehkolbengeblaseblockschneller drehen, man kann von ca. 15 % Drehzahlerhohung ausgehen. Das hat den Nachteil, dass die spezifische Leistung eines 3-Fliiglers leicht erhoht ist (Abb. 6.4). Das liegt vor allem am erhohten Leerlaufleistungsbedarf. Im Bereich fiir Klaranlagen haben sich im allgemeinen die 3-flugligenAusfiihrungen durchgesetzt; man nimmt den leichten Energienachteil in Kauf, um Pulsationen auf den Rohrleitungen sicher auszuschliegen. Als Alternative sind bei grogeren Antriebsleistungen die energetisch etwas giinstigeren 2-Flugler nach wie vor interessant; zur Vermeidung von Pulsationen sollte unbedingt nach dem Geblaseaggregatein zweiter reichlich dimensionierter Schalldtimpfer gesetzt wird. Das geforderte Volumen (bezogenauf den Ansaugzustand) betragt unabhangig von Druck und Drehzahl je Umdrehung das vierfache (2-Flugler)bzw. sechsfache (3-Fliig ler) des Forderkammervolumens.Die Fordermenge wird reduziert durch Ruckstromverluste. Diese entstehen, wenn schon verdichtete Luft von der Druck- auf die Saugseite zuriickstromt - dies geschieht durch die engen Dichtspalten zwischen den beiden Rotoren und zwischen Rotor und Gehause. Konstrukfionsziel ist nun, die Ruckstromverluste so gering wie moglich zu halten, dass heiat die Dichtspalten im Forderraum mussen minimiert werden. Die gegenlaufige Bedingung ist, dass sich die bewegenden Teile in keinem Betriebszustand benihren diirfen. Das bedingt die Einhaltung engster Fertigungstoleranzen einerseits wie auch die Venvendung von Bauteilen mit geringster Nachgiebigkeitandererseits. Bei der Bemessung der Toleranzen ist die thermische Ausdehnung der Bauteile von entscheidender Bedeutung. Rotoren envarmen sich surker als das Gehause; ad3erdem nimmt das Gehause auf der Druckseite eine wesentlich hohere Betriebstemperaturals aufder Saugseite an (als Faustregel gilt Temperaturerhohung ca. 10 K bei Druckerhohung 100 mbar). Die Temperaturerhohung ist deshalb so beachtlich, weil die im Geblaseblock anfallende Warme fast ausrper. Lelrtungsbsd8rl [kW/m*/rn In]

3,O

2,o 800 m bar

500 m b a r

03 0,o 10 Abb. 6.4

20 Vergleich Energiebedarf

30

40

50

[mslmin]

170

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G Wirtschaftlicher Betrieb von Drehkolbengeblijsen

schlieglich durch das Fordermedium abgefiihrt wird, indem es sich aufheizt. Nur ein sehr geringer Teil wird iiber die Gehauseoberflache an die Umgebung abgegeben. Damit ist die spezifische Verdichtungswarme bei Drehkolbengeblasen deutlich hoher als bei Kompressoren mit innerer Verdichtung. Die Temperaturerhohung im Geblase muss begrenzt werden, da sie ansonsten zum Verziehen des Gehauses fiihrt; schlieglich bertihren sich im Extremfall die bewegten Bauteile. Die Begrenzung liegt in der Regel bei 110- 115 K Temperaturerhohung. Um die vorstehende Thematik gut im Griff zu halten, sollte die Konstruktion von Geblaseblockenbiegesteife Rotoren, besonders auch durch dicke Wellenenden enthalten. AuBerdem sollten rundum Zylinderrollenlager eingesetzt werden, die in dieser Kombination geringes Durchbiegen der Drehkolben bei Dmckbelastung bringen. Denn diese Durchbiegung zehrt die thermisch bedingte Toleranzvemngerung zusatzlich auf. Konsequenzen sind damit konstruktiv, ein Evolventenprinzip mit groBtmoglichem Schopfraum, minimaler Riickstromung und geringem Flankenspiel bei stabilen Rotoren und einem stabilen Gehause (z. B. Topfgehause)zu erzielen. Das fiihrt zu hochster Liefermenge bei geringstem Energieeinsatz. Abbildung 6.5 zeigt den Schnitt durch einen Geblaseblock. Dieser Geblaseblockwurde nach den vorstehenden Merkmalen entwickelt. Besonderheiten sind hier femer die geradverzahnten Synchronrader des Synchrongetriebes. Diese verhindern Axialkrafte auf die Rotoren. Dadurch wird ein Verschieben in axialer Richtung verhindert, und deshalb konnen die inneren Spalten geringer ausgefuhrt werden; Effizienzsteigerung ist die Folge.

Rotoren

Tauchschmierung beidseitig

/

\

zur-Abdichtung Zylinderrollenlager stabiles Synchrongetriebe mit Geradverzahnung Abb. 6.5

Abbildung Ceblaseblock

Gehause /

6.3 Normen I 1 7 1

Wartungstipps fur Geblaseblocke: Die Geblase haben zwei getrennte Olraume. Beide Raume miissen getrennt voneinander Olwechselerfahren. Wichtig ist im allgemeinen der Olstand mittig Olschauglas. Die Zylinderrollenlager sollten eine Dimensionierung als erreichbare nominelle Ermiindungslaufzeit von iiber 100000 h haben, das hei%tim praktischen Betrieb eine erreichbare Laufzeit von ca. 40 000 h. Vor Ort ist es oft moglich, den antriebsseitigen Wellendichtring zu wechseln. Eingriffe in den Geblaseblock empfehlen sich nicht, da die vorhandenen geringen Spiele (es handelt sich um meist 1-61100 mm) eine Uberholung im Werk bedingen.

6.3 Normen

Um die erreichten Betriebswerte eines Geblases bzw. verschiedener Geblase miteinander vergleichen zu konnen, miissen einige Werte n2her erlautert werden. Das betrifft die Luftmenge: Volumen nach DIN 1343 (physikalischer Normzustand, ,,Normkubikmeter") Bezugspunkte: Temperatur 0°C = 273,lSK Druck 1,013bar (abs.) Volumen bezogen auf Normalzustand (Normalvolumen,,Normalkubikmeter") die jeweils am Arbeitsort vorhandene Bezugspunkte: Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit Volumen bezogen auf den Betriebszustand Unter Betriebsvolumen versteht man die mit dem jeweiligen Verdichtungsverhaltnis komprimierte heiBe Luftmenge. Wichtig ist, sich iiber die in den Normen beinhalteten Toleranzen Klarheit zu verschaffen. Dazu dient Tab. 6.1. Dabei bedeutet die sogenannte spezifische Leistung den Quotienten aus Aufwand und Ergebnis, das heifit in diesem konkreten Fall die erforderliche Leistungsaufnahme dividiert durch die erreichte Liefermenge. Bei der Leistungsaufnahme ist zu unterscheiden, wo diese gemessen wird, iiblicherweise gibt man die Leistungsaufnahme am Geblaseblock an. Tab. 6.1

I S 0 1217/DIN 1945 + Toleranzen

Leistungsaufnahme des Geblases (normale Last)

Nutzbarer Volumenstrom

Spez. Leistungsbedarf

10-100 kW uber 100 kW

+/+/-

+/- 6% +/- 5%

5% 4%

172

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G Wirtschaftlicher Betrieb yon Drehkolbengeblijsen

Drchzohl bci

t

t t

Liefarnenge

Verdichttrwellenleistung

glcichblcibender Druckdiffcretu

Abb. 6.6

Prinzip Drehzahl

erhohung

TmpemturerMhung

t

Abb. 6.7

DNckdiffcrcnz

bci glcichMcibcndcr

brehzahl

Prinzip Druckerhohung

Liefcrmcngc

I)Verdichterwcllcnleistung TemperaturerMhung

t tt

Es sollte die Leistungsaufnahme unter Beriicksichtigung der Aggregatverluste ( I S 0 1217 Teil 1, Anhang C bzw. CAGI/PNEUROP PN2 CPT C2) betrachtet werden. Sofern das bei allen Herstellern gleich ist, kann man diesen Wert herannehmen. Fur die tatsachlich aufgenommene Leistung mussen die Ubertragungsverluste, im allgemeinen handelt es sich um Keilriemen (Ubertragungsverluste von 23 % sind zu envarten) und der Wirkungsgrad des Elektromotors (hier gibt es je nach Hersteller deutliche Unterschiede) beriicksichtigt werden. Die beiden obigen Prinzipbilder (Abb.6.6 und 6. 7) zeigen nochmals als Zusammenfassung die Abhangigkeit von Liefermenge, Druck und Drehzahl sowie die entstehende Temperaturerhohung. Der kritischste Betrieb eines Geblases ist der mit hohem Druck, jedoch kleiner Drehzahl. Dadurch entsteht hohe Ruckstromung, damit hochste Temperaturerhohung und Belastung der Maschine.

6.4

Auslegung

Im folgenden wird das Formelwerk, mit dem ein Geblase berechnet werden kann, und das allgemeingiiltigen Charakter besitzt, erklart. Durch Beschrieb der Formeln wird gleichzeitig das Verstandnis fur ein Drehkolbengeblase vertieft. Volumenstrom Q1 (auf Ansaugzustand bezogen): Uberdruckbetrielx ,,Liefermenge" Unterdruckbetrieb: ,,Saugvermogen"

6.4 Auslegung

Fur trockene Luft bei atmospharende Ansaugung (1013 mbar; 20 "C) Q1[m'/min] = 0. q 1000 [Liter] (n[min-'] - n,N,,pJ[min-']

.

/re) (6.1)

Verdrangung pro Umdrehung (,,Schluckvolumen") aktuelle Geblasedrehzahl nschlupf = Geblasedrehzahlbei der sich mit verschlossenem Saug-und DruckstutZen eine Druckdifferenz von 100 mbar einstellt (,,Schlupfdrehzahl") Ap = Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugstutzen im Auslegungszustand Gleichung 6.1 zeigt die Liefermenge in Abhangigkeit vom Schluckvolumen, der Geblasedrehzahl und der Schlupfdrehzahl sowie der Druckdifferenz. Wie sofort zu erkennen ist, ist die Liefermenge ganz wesentlich von der Geblasedrehzahlabhangig. Je groger das Schluckvolumenist, desto hoher ist die Liefermenge bei gleicher Drehzahl. Dem gegenuber geht die Druckdifferenz deutlich weniger in die erreichbare Liefermenge ein; das heiBt ein Geblase bringt relativ konstante Liefermenge bei veranderlichem Gegendruck. Mittels der sogenannten Schlupfmessung wird die Schlupfdrehzahl ermittelt. Dazu werden Saug- und Druckstutzen des Geblases verschlossen und jeweils mit einer Druckmessstelleversehen. Die Geblasedrehzahl,die erforderlich ist, eine definierte Druckdifferenz (100 mbar) zwischen Saug- und Druckstutzen zu erzeugen, wird als Schlupfdrehzahl bezeichnet. Damit ist diese Schlupfdrehzahl ein Ma%fur inneren Ruckstromverluste und somit ein Ma%fur die Efizienz des jeweiligen Geblaseblockes. qo = n=

Antriebsleistung P, K'

= PVerdichtung(n;

'p)

+ pkrcwJ(n)

(6.2)

PVerdjcht, = Antriebsleistung zur

Uberwindung der Gas-Verdichtungskrafte Pkerlauf = Verlustleistunginfolge von Dichtungs-,Zahnrad-, Lagerreibung sowie Stromungsdynamik PK[kW]=

qo[m3]. n[min-'1 . Ap[mbar] 600

+ a, + a2 . n[min-'] + a, . n2[min-'12

Gleichung 6.2 zeigt die Berechnung der erforderlichen Kupplungsleistungam Ceblaseblock. Entscheidend geht hier die gewiinschte Liefermenge und die Druckdifferenz ein. Dariiber hinaus sind die Koefizienten der Leerlaufleistung maggebend. Diese Leerlaufleistung hangt von der Drehzahl ab. In den Auslegungsprogrammen verschiedener Hersteller wird auf diese Art und Weise auch der Betrieb f i r Frequenzumrichter berechnet, das hei%tdurchlaufener Drehzahlbereich, Liefermenge und Leistungsaufnahme. In Abb. 6.8 sind in komplexer Form die wichtigsten Kennlinien beispielhaft fiir einen Drehkolbengeblaseblodr, der bei verschiedenen Drehzahlen fhrt, dargestellt. Man betrachtet die Zusammenhange zwischen Liefermenge, Drehzahl, Druckdifferenz, Verdichterwellenleistung und Temperaturerhohung des Fordermediums.

I

173

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6 Wirtschaftlicher Betrieb von Drehkolbengeblijsen

Uberdruckbetrieb Ansaugzustand Luft be1 1013 mbar und 20 "C 700

800

900

1000

m

6M1

3

500

loo '0 E 1K1

AP

W a r 1 400

60

-$ E

0,

300

40

700

1200

1700

2200

2700

Geblasedrehzahl Abb. 6.8

Kennlinienfeld Ceblase

3200

3700

[min']

E

6.5 Drehkolbengeblaseoggregate I 1 7 5

Im oberen Bereich der Kurvenschar ist der Temperaturverlauf dargestellt. Fur Regelungen der Geblase ist diese Kurve ausschlaggebend. Je nach Geblasebauart sind maximale Temperaturerhohungen von 110- 115 K und damit resultierende Endtemperaturen von 130- 155 "C zu beachten. Durch die - schon im vorgehenden Text beschriebene - Ruckstromung entsteht der Effekt, dass bei gleichbleibendem Druck mit sinkender Geblasedrehzahl die Temperaturerhohung zunimmt. Besonders stark ist dieser Effekt bei hohen Driicken. Dadurch bricht in unserem Beispielfall die Temperaturkurve fur 1000 mbar Uberdruck bereits bei 1900 U/min ab; geringere Drehzahlen sind mit dieser Maschine nicht fahrbar. Im mittleren Bereich ist die Kurvenschar der erreichten Liefermenge dargestellt. AufFallig ist, dass die Liefermenge nur schwach vom erforderlichen Gegendruck abhangt. Im unteren Bereich ist die Geblasewellenleistungdargestellt. Diese hang direkt von Drehzahl und ebenso direkt vom erforderlichen Gegendruck ab. Bei der praktischen Auslegungvon Drehkolbengeblasen ist deshalb ein relativ hochtouriger Arbeitspunkt zu w2hlen. Die Ursache liegt darin, dass die absoluten Riickstromverluste eines vorgegebenen Geblases lediglich abhangig von der Druckdifferenz und der Dichte des Fordermediums sind, nicht aber von der Geblasedrehzahl. Somit nehmen die anteiligen Ruckstromverluste pro Umdrehung bzw. die auf die Fordermenge bezogenen Verluste mit steigender Geblasedrehzahl ab. Der volumetrische Wirkungsgrad steigt also mit zunehmender Geblasedrehzahl.

6.5

Drehkolbengebllseaggregate

Der Drehkolbengeblaseblockselbst kann sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Forderrichtung betrieben werden. Giinstig ist die Forderung von oben nach unten, da sich hierbei keine Verunreinigungen im Block absetzen konnen. Als Antrieb kommen iiblicherweise Drehstromasynchronmotoren zum Einsatz. Heutzutage werden Geblaseaggregate uberwiegend mit Keilriemenantrieb betrieben. Der Keilriemenantrieb gestattet eine optimale - vor allem auch nachtragliche - Anpassung des Ubersetzungsverhdtnisses von Geblaseblock und Motor auf den individuellen Einsatzfall. Das ist insbesondere deshalb wichtig, weil Drehkolbengeblase selbst schlecht regel-

176

I

G Wirtschaftlicher Betrieb von Drehkolbengeblasen

Ansaugschalldampfer mit integriertem Filter

DIuckschalldampfer

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1 p -

Abb. 6.9

Keilriemenspannung mit Spannanzeige

Foto Aggregat

bar sind, solange nicht die Drehzahl des Blockes, z. B. mit Frequenzumrichter, geregelt wird (Aggregatbeispielin Abb. 6.9). Saugseitig enthalt das Geblase einen Saugschalldampfer. Es muss darauf geachtet werden, dass sich auch ein Ansaugfilter im Saugschalldampfer (besonders auch bei Ansaugen aus der Rohrleitung!) befindet. Druckseitig folgt nach dem Geblaseblock der Druckschalldampfer, der die Restpulsationen, die auch bei Dreifluglem entstehen, nochmals reduziert. Sofern Geblase im Unterdruckbetrieb eingesetzt werden, das heiBt Luft oder Gase aus einem Rezipienten absaugen, wirkt dieser Druckschalldampfer als Ausblasschalldampfer. Man unterscheidet zwei Wirkprinzipien von Schalldampfern: den Absorptionsschalldampfer bzw. den Resonanzschalldampfer. Bei Resonanzschalldampfem gelingt es durch eine genau abgestimmte Anordnung verschiedener Prallbleche Gegenwellen zu erzeugen. Diese uberlagern sich und 1oschen sich dadurch aus. Problematisch bei Resonanzschalldampfern ist, dass dieses Ausloschen ideal nur fur eine Hauptfrequenz eingestellt werden kann. Im weiteren ist dann der Frequenzgang der Dampfung sehr stark von der Drehzahl des Geblases abhangig. Deshalb findet man bei einigen Herstellern nach den Resonanzschalldampfern noch einen Zusatzresonator, der noch auftretende Pulsationen abhangig von Einsatzfall (also speziell der Drehzahl des Geblases) beseitigen soll. Ausgezeichnet hat sich die Kombination von Absorptionsschalldampfern (verfugen physikalisch bedingt uber ein breites Dampfungsspektrum) mit einem Resonatorteil bewahrt. Dadurch entstehen kurze hochwirksame Schalldampfer. Zur Spannung des Keilriemens setzen sich zunehmend automatische Nachspanneinrichtungen durch. Im einfachsten Fall wird der Elektromotor auf einer Wippe montiert. Das Motorgewicht und Motormoment tragen zur Spannung des Keilriemens bei. Deutlich giinstiger ist eine zusatzlich montierte automatische Riemen-

6.5 D r e h k o l b e n g e b l a s e a g t e Abb. 6.10

Foto autornatische Riernenspannvorrichtung

spannvorrichtung. Durch eine zusatzliche Spannfeder wird unabhangig vom Motorgewicht und dessen Lage eine genaue Dosierung der Riemenspannkraft erreicht (Federkrafte sind linear). Die Vorteile sind optimaler Ubertragungswirkungsgrad(wenig Schlupf), andererseits erhohte Riemenlebensdauer (Riemenspannung nur so stark wie notig). AuUerdem werden die antriebsseitigen Lager von Motor und Geblase geschont. Die Riemenspannvorrichtung ist in Abb. 6.10 dargestellt.

Aggregate mit KeilriemenspameMchtuqmQssen kurz nach Inbetriebnahme nachgespannt werden. Ctbtig ist,wenn der Riemempmmstand optisch angezeigt wird. Dvrach gibt cs eine hgcre Zt, in der sich hum Li[ngungen des Keilriemens ergeb. Nach ca. 2-4 Websjahren nimmt die Nachspmh2uflgkeit m:ein prophylaktkher Wechsel des Keilrftnnens ist sinnvoll.

Ein wesentlichesZubehor fur Geblaseaggregatesind die Schalldammhauben.Das liegt an den insgesamt hohen Schallpegeln bei Drehkolbengeblasen. Bewahrt haben sich Schalldammhauben mit Pulverbeschichtung als Oberflachenschutz. In diesem Falle konnen diese Hauben auch fur Freiaufstellungverwendet werden. Dabei muss dafiir gesorgt werden, dass Offnungen in der Schallhaube mit Zusatzbauteilen gegen EindringenvonRegen gesichertwerden konnen. Im Innerenvon Schallhaubenfindet meist schwerer Schaumstoff,der schwer entflammbar sein sollte, Verwendung. Die ublichen Schallreduzierungen bei guten Schalldammhauben betragen ca. 20 dB (A). Um eine ausreichende Kiihlung des Motors sicher zu stellen, Warmestaus unter der SchaUhaube zu verhindern und die Ansaugtemperatur fur das Geblaseaggregat nicht zu erhohen, ist eine gute Kuhlung der Schallhaube notig. Bew3hrt hat sich deshalb ein Zusatzventilator in der Schallhaube, der eine gezielte Luftfihrung ermoglicht. Von Vorteil ist ein von der Geblasedrehzahl unabhangiger Ventilator, der insbesondere

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G Wirtschuftlicher Betrieb von Drehkolbengeblusen

bei geringen Drehzahlen und damit hohen Temperaturen des Geblaseblockes fur ausreichende und konstante Kuhlung sorgt. Dariiber hinaus sollte die Schalldammhaube gut zuganglich sein, so dass insbesondere Wartungsarbeiten moglichst sogar von einer Seite komplett erledigt werden konnen. Ein Beispiel einer solchen Maschine ist in Abb. 6.11 dargestellt. Weiteres Zubehor von Drehkolbengeblasen sind Sicherheitsventile,die zur Absicherung des Blocks oder bei individueller Einstellung des Sicherheitsventils sogar des Elektromotors dienen. Sofern mehrere Geblase auf eine Leitung fordern, sind Ruckschlagklappen vorzusehen. Die Ruckschlagklappe empfiehlt sich auch, wenn die Rohrleitung, in die das Geblase fordert, recht grog ist. Dann verhindert die Ruckschlagklappe bei Abschalten des Geblases ein Ruckwartslaufen der Maschine. Sofern die Geblase mit Stern-/Dreieck-Schaltschrankenausgestattet sind, ist ab 5,s kW eine Anlaufentlastung erforderlich. Ursache ist, dass der Motor vor der Umschaltung von der Stern- auf die Dreieckphase nur mit ca. 1/3 seines moglichen Drehmomentes anlauft. Hierzu muss das Geblase w2hrend der ,,Sternphase"entlastet werden, Das wird dadurch bewirkt, dass das Anfahrentlastungsventilwahrend dieser Zeit die Druckleitung (bzw. die Saugleitung im Vakuumbetrieb) unmittelbar zur Atmosphare offnet. Diese Ventile konnen entweder elektrisch, eleganter jedoch pneumatisch mit einer Membran gesteuert sein. Im Ruhezustand sind diese geoffnet. Die Installation von kompletten Geblaseaggregaten ist in Abb. 6.12 dargestellt. Sehr giinstig sind Geblaseaggregate, die seitlich direkt aneinander gestellt werden konnen; das spart deutlich Aufstellflache und damit Zusatzkosten im bautechnischen Bereich.

Abb. 6.11

Foto Aggregat rnit Schalldarnrnhaube

6.6 Regelung

0

extrern platzsparende Aufstellung ohne seitlichen Abstand mBgiich + spart Baukosten Abb. 6.12

Aufstellungsvorschlag

6.6

Regelung

Wie schon irn Vorfeld dargestellt,bringt ein Drehkolbengeblase unabhangig vorn Gegendruck nahezu konstante Liefermenge. Urn so wichtiger ist, bei der Konzeptionvon Geblasestationen die Regelungsarten zu besprechen. 1. Druckregelung Da wie schon besprochen ein Drehkolbengeblase keine innere Verdichtung hat,

sondern auf den Druckabfall reagiert, der in der Rohrleitung entsteht, passt

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G Wirtschaftlicher Betrieb von Drehkolbengeblasen

sich diese Maschine automatisch auf den herrschenden Gegendruck an. Fur die Auslegungbedeutet dies, die entstehenden Druckverluste moglichst reichlich abzuschatzen. Sofern dann weniger Gegendruckbenotigtwird, wird das Geblaseauch nur diesen geringen Gegendruck fahren. Der auf hohen Druck dimensionierte Elektromotor wird dann auch nur weniger belastet. Dadurch sind Drehkolbengeblase ausgesprochenefizient. Der Gewinnvon Planungssicherheitwird ausschlieglichdurch den resultierenden Mehrpreis des grogeren Elektromotors erreicht. 2. Liefermengenregelung Die Liefermenge lasst sich nur uber die Drehzahl des Geblaseblockes regeln. Sofern dies nicht moglich ist, muss die uberschussig geforderte Menge abgeblasen werden. Eine Speicherung der geforderten Lufi ist unwirtschaftlich, da ausgesprochen groge Speichervolumen erforderlich waren. Ein Druckschalterbetrieb(Last/Leerlaufbzw. Ein/Aus) ist bei Geblasen nicht anzuraten, da sich eine zu hohe Schalthaufigkeit fiir die Motoren ergibt. Deshalb greift man einerseits zu polumgeschalteten Motoren, die entweder zweifach (zwei/vierpolig) bzw. dreifach (vier/sechs/achtpolig) polumschaltbar sind. Wichtig ist zu uberpriifen, ob das Geblase bei der niedrigsten Drehzahl thermisch uberlastet werden wiirde. Im Zuge sinkender Preise fur Frequenzumrichter (FU) bietet sich zum Einsatz der stufenlosen Liefermengenregelungmittels FU an. Den Prinzipaufbau eines FU zeigt Abb. 6.13. Die ankommende sinusformige Strom-/Spannungskennliniewird zuerst durch einen Gleichrichterin Halbwellen zerlegt, dann in einem Gleichspannungszwischenkreis mit Kondensatoren zwischengespeichert und anschliegend uber gesteuerte Transistonvechselrichter auf die neue Modulation gebracht. Die Innovation in den letzten Jahre liegt insbesondere im Bereich des Transistorwechselrichters. Durch Einsatz sogenannter IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor)- Bauelemente konnte eine deutliche Steigerung der Modulationsfrequenz erreicht werden. Das fiihrt zu deutlich geringeren Wirkungsgradverlusten im FU und insbesondere auch im angeschlossenen Elektromotor. Die Neugenerierung der Strom-/Spannungskennlinie nach dem Transistonvechselrichter ist in Abb. 6.14 dargestellt. Die Pulsbreitenmodulation funktioniert im Prinzip so, dass durch An- und Abschalten von Spannungspeaks wieder eine neue Summenspannung entsteht. Wird die Spannung nur kurz ein- und wieder abgeschaltet, entsteht ein geringer Spannungswert, wird die Span-

\+ i$ Abb. 6.13

--

GLEICHR(CHTER GLEICHSPANNUNGS- TRANSISTOR ZWISCHENKREIS WECHSELRICHTER

Frequenzumrichter

Prinzip Frequenzurnrichter

.

6.6 Regelung I 1 8 1

t

Abb. 6.14

Prinzip Pulsbreitenrnodulation

nung lang angeschaltet entsteht ein hoher resultierender Spannungswert. Dieses Anund Abschalten kann bei IGBT-Transistoren im Frequenzbereich bis 16 kHz erfolgen. Resultat ist eine schon fast wieder als ideal zu bezeichnende sinusformige Strom-/Spannungskennlinie. Wichtig ist bei der Installation von FU, die elektromagnetische Vertraglichkeit zu betrachten. Einerseits sollen diese Maschinen keine elektromagnetische Storung abgeben, die die Funktion anderer Gerate stort. Andererseits miissen die installierten FU ausreichend unempfindlich gegen extern erzeugte elektromagnetische Storungen sein.

Wirtschafflichkeit von FU-geregelten Ceblasen

Fur die Beliiftung von Klaranlagen haben sich FU-geregelte Geblase durchgesetzt. Wichtig im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit ist, den Arbeitspunkt bei relativ hoher Drehzahl zu w$hlen und abzusichern, dass die Geblase nicht lange Zeit bei geringer Drehzahl laufen. Denn bei geringer Drehzahl steigt die erforderliche spezifische Leistung (Aufwand in kW geteilt durch Ergebnis in m3/min) an. Deshalb empfiehlt es sich, in der Konzeption von Geblasestationen eine grogere Anzahl von Geblasen zu verwenden, statt den gesamten Bedarf iiber wenige grog, Geblase abzudecken. Durch die Tragheit des Systems ist es auch nicht unbedingt erforderlich, ein durchgangiges Regelband der Liefermenge zu erreichen. Es reicht meist aus, sogenannte

182

I

6 Wirtschaftlicher Betrieb yon Drehkolbengeblasen

Grundlastgeblaseim Stem-,Dreieck-Betrieb,das heiBt bei Volllast und hoher Drehzahl laufen zu lassen. Als Regelgeblase bieten sich dann die FU-Geblasean. Diese konnen auch haufiger an- und abgeschalten werden. Gegebenenfalls konnen die Geblase mit Festdrehzahl per Sanftanlauf hochgefahren werden, auch dann erreicht man in Abhangigkeit vom gewahlten Motorfabrikat und MotorgroBe hohere Schalthaufigkeiten. Die bei grogeren Klaranlagen oft angestellten Wirtschaftlichkeitsberechnungen Drehkolbengeblase zu Turbo-Kompressoren gehen haufig davon aus, dass das Geblase den gesamten Regelbereich von z. B. 40 - 100% des Turbo-Kompressorsabfahren muss. Das gelingt natiirlich nur, indem das Geblase mit FU betrieben wird. Dadurch vergrogert sich der an sich geringe, bei ca. 5 -8 % spezifischer Leistung liegende Nachteil der Geblase. Denn die FU und die FU-betriebenen Motoren verschlechtern den Wirkungsgrad nochmals um ca. 6 %. Wie jedoch schon im vorigen Teil dargestellt, miissen nicht alle Geblase einer Station FU-betrieben laufen. Deshalb fallt der Nachteil bei Betrieb mit FU nur anteilig ins Gewicht. Fur die Betrachtung der Gesamtwirtschaftlichkeitder Geblasestation sind im Vergleich zu anderen Verdichterbauarten einerseits der Anschaffungspreis, andererseits die Energiekosten und schlieBlich auch die anfallenden Wartungskosten relevant. Drehkolbengeblase haben in diesem Zusammenhang sehr niedrige Wartungskosten. Es handelt sich bei den VerschleiBteilen lediglich um Ansaugfilter, Keilriemen und Geblaseol.

6.7 Cesamtstation

Zur Vervollstandigung des Konzepts einer Geblasestation muss noch die Maschinenraumbeluftung betrachtet werden. Einige Faustformeln zur uberschlagigen Berechnung von Zu- und Abluftstromen in Maschinenraumen sind hier dargestellt: 1. Warme- und Volumenstrome Q1 Warmestrom

vom Antriebsmotor

Motornennleistung: 3-7.5 kW ca. 15 % 11-18.5 kW ca. 1% 22-55 kW ca. 8% 75-2OOkW ca. 5%

Qs

43 &

Geblasestufe Rohrgmndrahmen Rohrleitungen im Maschinenraum

V, V,

Ansaugvolumenstrom deslder Geblase [m3/h] Ablufbolumenstrom [m3/h]

zusammen ca. 10%

V, AT

Zuluftvolumenstrom [m'/h] Temperaturerhohung im Raum

2. Ansaugen aus dem Maschinenraum

Min. erforderlicher Zuldvolumenstrom: Zwangsbeluftung e n f i t : Zwangsbeluftung erforderlich:

V, VZ

[m3/h]

M

Vlges

vz > Vlges VA = Vz - Vlges

3. Ansaugen von A d e n

Grundsatzlich ist zu bemerken, dass die grogten Anteile der Verdichtungswarme durch die heige Geblaseluft in der Rohrleitung abgefiihrt werden. Lediglich der Motor (uber seinen Wirkungsgradverlust) sowie die temperierten Geblasebauteile und Rohrleitungen bringen Anteile von Warme in den Raum, die abgefuhrt werden mussen.

einen Abluftventilatorverzichtctwerden, vorausgesctzt die Ansaugung erfdgt aus dem Ram. Dann reicht die d o r d d c h e Zuluft4fiung zur Kahlung des Ceblrseraumes meist aus. Als Ternperaturerh6hungim h u m d t e n 10 K nicht tiberschritten werden, so dass im Sommer Temperatwen um 40" erreicht werden.

6.8 Fazit

In den letzten Jahrzehnten haben sich fur kleine bis mittlere Klaranlagen Drehkolbengeblase ausgezeichnet fhr die Erzeugung von Luft fiir die feinblasige Beliiftung bewahrt. Das liegt einerseits an der Robustheit und damit langen Lebensdauer der Maschinen. Andererseits konnen mit modernen Geblasen, die hohere Drehzahlen als in der Vergangenheit erreichen, auch giinstige spezifische Leistungswerte erreicht werden. Das Konzept mit Einbeziehung von FU fiihrt zu giinstigem Regelverhalten und interessanten Leistungsbilanzen. Betrachtet man die Einzelmaschinen, so kann man davon ausgehen, dass im Bereich von 100-6000 m'/h bei Driicken von 3001000 mbar (u) ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlage mit Drehkolbengeblasen jederzeit moglich ist.

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7

Wirtschafflicher Betrieb von Turboverdichtern Klaus jacoby

7.1 Verdichter in Klilranlagen

Einen wichtigen Teil der maschinentechnischen Ausriistung in Klaranlagen stellen die Aggregate zur Erzeugung von Druckluft dar. Sie dienen der Beluftung von Belebungsbecken in der biologischen Reinigungsstufe aber auch von Sandfingen in der mechanischen Reinigungsstufe. Vereinfacht ausgedriickt saugen diese Maschinen Umgebungsluft an und verdichten sie gegen den Wasserdruck, damit sie am Beckenboden eingeblasen werden kann. Es gibt eine fast unendliche Zahl von unterschiedlichen Verdichterbauarten,die sich grob nach dem in Abb. 7.1 dargestellten Schema aufteilen. Dabei kann der Vorgang der Verdichtung auf zwei physikalische Grundprinzipien zuriickgefiihrtwerden: Kolbenverdichter und Turboverdichter. Kolbenverdichter arbeiten nach dem Verdrangungsprinzip, wahrend in Turboverdichtern kinetische Energie in Druck umgesetzt wird. Wegen der bei Klaranlagen ublichen Forderdriicke und Volumenstrombereiche kommen dort nur die drei Bauarten 1. Drehkolbenverdichter 2. Schraubenverdichter

3. Radialturboverdichter

zum Einsatz. Sie unterscheiden sich bezuglich der Einsatzgebiete - Volumenstrom und Druckerhohung - aber auch ihrer Regelbarkeit. Drehkolbenverdichter werden ublicherweise bei Volumenstromen unter ca. 1500 m’/h eingesetzt. Schraubenverdichter kommen nur dann zum Einsatz, wenn die Druckerhohung von Drehkolbenverdichtern f i r eine Anlage nicht ausreicht. Alle anderen Anwendungen (ab ca. 50 000 Einwohnergleichwerten)werden durch Turboverdichter abgedeckt (Abb. 7.2).

186

I

7 Wirtschaftlicher Betrieb von Turboverdichtern

Verdichter

oszillierend

mit Kurbeltrieb

rotierend

ohne Kurbeltrieb

einwellig

mehrwellig

7.1.1 Drehkolbenverdichter

Der Drehkolbenverdichter wurde in Kapitel6 bereits ausfiihrlich beschrieben und sol1 hier nicht naher betrachtet werden.

7.1.2 Schraubenverdichter

Schraubenverdichter sind zweiwellige Drehkolbenmaschinen, die nach dem Verdrangerprinzip mit fest eingebautem Druckverhaltnis und innerer Verdichtung arbeiten. Zwei stark gewundene, gezahnte Rotoren mit unterschiedlichen Profilen drehen sich gegenlaufig in einem Gehause. Der Hauptlaufer hat konvexes, der Nebenlaufer konkaves Profil. In den Stirnwanden des Gehauses liegen die Ein- und Auslassoffnungen. Die Lage der Ein- und Auslassoffnungen zueinander bestimmt das Druckverhaltnis in der Verdichterstufe.

7.1 Verdicbfer in Kfarunlagen

6

2

t

....

4 I I

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..............................................

I I

1.. ...................... ._ ....................

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1 0

lma,

lmaD

l

m

AtsagduTenBcminm'/h

Abb. 7.2 Einsatzbereiche verschiedener Verdichterbauarten

Olfreie Schraubenverdichterwerden einstufig f i r Enddriicke bis ca. 4,s bar ausgefiihrt. 7.1.3

Turboverdichter

Turboverdichter sind Stromungsmaschinen,in denen die zu verdichtende Luft durch ein mit Schaufeln versehenes Laufrad beschleunigt wird. Die Stromungsenergie wird im Laufrad, im Diffusor und im Spiralgehause in Druck umgesetzt. Die Verdichterstufeeines Radialverdichtersbesteht aus der Vorleiteinrichtung,dem Ansauggehause,dem Laufrad, dem Diffusor, einem spiralformigen Sammler und ggf. einem Nachleitapparat (Abb. 7.3). Der Anstromwinkel der Luft zum Laufrad und die Form des Laufrades beeinflussen das Arbeitsvermogen der Verdichterstufe. Die der Antriebswelle zugefiihrte Energie wird, wenn man von den Leckage- und Reibungsverlusten absieht, vom Laufrad auf die geforderte Luft iibertragen und in Warme, Geschwindigkeits- und Druckenergie umgewandelt. Radialverdichter sind im Volumenstrom nach unten praktisch nicht begrenzt. Eine gewisse Grenze stellt jedoch bei der klassischen Bauweise das Ubersetzungsverhaltnis zwischen Antriebsmotor und Radialverdichter dar, welches mit abnehmender Verdichtergroge immer groBer wird. Damit treten ab einem bestimmten Ubersetzungsverhaltnis die sonst fast vemachlassigbaren mechanischen Verluste zu sehr in den Vordergrund. Die Einsatzgrenze von Turboverdichtem wurde in den letzten Jahren zu immer kleineren Volumenstromen hin verschoben, zu Lasten der Drehkolbenverdichter. Eine vertretbare Grenze liegt derzeit bei etwa 1500 m3/h.

I

187

188

I

7 Wirtschaftlicher Betrieb yon Turboverdichtern

Abb. 7.3

Verdichterstufe eines Radialverdichters

Der erreichbare Betriebsdruck liegt fur einstufige Verdichter bei ca. 3 bar, er reicht fur Klaranlagenanwendungennormalerweise vollig aus.

7.2

Strtimungstechnisches Verhalten

Jeder Verdichter wird fur einen bestimmten Volumenstrom (Nennvolumenstrom) gebaut, den er bei einem festgelegten Druck (Nenndruck)liefern soll. Dieser Betriebspunkt stellt in einem Diagramm einen Punkt der Verdichterkennlinie dar. Tragt man die verschiedenen Betriebspunkte,die ein Verdichter erfullen kann, in das Diagramm ein, so erhalt man die Verdichterkennlinie. Die Verhaltensweisen der vorgestellten Verdichtertypen unterscheiden sich grundsatzlich. Verdrangerverdichter konnen bei konstanter Drehzahl uber einen weiten Druckbereich einen fast konstanten Volumenstrom fordern, eine Veranderung des Volumenstroms ist jedoch nur uber eine variable Verdichterdrehzahl moglich. Turboverdichter reagieren vollig anders, hier hangt der geforderte Volumenstrom sehr stark von der zu leistenden Druckerhohung ab, da Druck- und Saugseite miteinander verbunden sind. Fallt der Volumenstrom zu stark ab, erreicht die Maschine die Pumpgrenze, die Grenze zwischen dem stabilen und dem instabilen Betriebsbereich. Beim Erreichen des instabilen Bereiches fordert der Verdichter unstetig. Die Stromung reiBt an den Schaufeln des Laufrades ab und die Luft stromt zuriick. Der Druck hinter dem Laufrad fallt ab und die Stromung im hufrad kehrt sich wieder um. Dieser Zustand wird ,,pumpen" genannt. Er bedingt stogweises Arbeiten und wiirde uber

7.3 Regelanforderungen in Khrnnlagen Abb. 7.4

Strornungstechnisches Verhalten von Drehkolben- und Turboverdichtern. a: Drehkolbenverdichter; b Radialverdichter; - - Pumpgrenze

010

120

tl: -L

60

2 LO 0

20 0

20

-

LO 60 80 Volumcnstrom

100 120 %

langere Zeit zu unzulassig hohen Belastungen fiihren, die eine Zerstorung der Maschine und weiterer Anlagenteile zur Folge hatten. Regelungen schutzen die Turboverdichter zuverlassig vor dem Arbeiten im Pumpgrenzbereich. Bis zur Pumpgrenze lasst sich der Volumenstrom gut regeln (Abb.7.4).

7.3

Regelanforderungen in KlPranlagen

Neben der Verdichterkennlinie spricht man von der Anlagenkennlinie. Die Anlagenkennlinie gibt die Abhangigkeit von Druck- und Volumenstrom in einer Anlage an. Bei Klaranlagen liegt eine ungewohnliche, weil beinahe horizontale, Anlagenkennlinie vor. Die Hohe dieser Kennlinie wird durch die Wasserhohe im Belebungsbecken und - in geringerem MaBe - von den Rohrleitungsverlustenbestimmt. Der Volurnenstrom m d dagegen in einem sehr weiten Bereich regelbar sein, abhangig vom Sauerstof€bedarf des Wassers. Da sich fur unterschiedliche Luftdichten (Tag/Nacht, Winter/Sommer) die zu leistende Druckerhohung ebenfalls andert, liegt bei einer Klaranlage keine klassische Kennlinie, sondem ein Kennfeld vor (Abb. 7.5). Dieses Kennfeld ist mit Verdichtem jeglicher Bauart nur aufwendig bedienbar. Bei Drehkolben- oder Schraubenverdichtem bedarf es hierzu einer Drehzahlregelung, z. B. durch Antriebsmotoren mit Frequenzumrichtem. Bei Turboverdichtern ist eine anspruchsvolle Steuerung erforderlich, die im folgenden geschildert wird. 7.3.1

Regelung von Turboverdichtern

Fur Turboverdichter sind vier verschiedene Regelungsarten gebrauchlich. Drehzahlregelung

Diese Regelungsart kann bei parabolischer Anlagenkennlinie einen Betrieb des Verdichters im Wirkungsgradoptimum bei allen Betriebspunkten bewirken. Innerhalb des Verdichters erfolgen dabei keine Anderungen der Stromungsbedingungen vor

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190

y

I

1

7 Wirtschaftlicher Eetrieb yon Turbouerdichtern

50.000

( m y '

40.000

+

30.000

L -

Abb. 7.5

Kennfeld einer Klaranlage

und nach dem hufrad. Durch Turbokupplungen oder drehzahlvariableAntriebe wird lediglich die Verdichterdrehzahl an die jeweiligen Betriebspunkte angepasst. Diese Regelungsart scheidet fur die Regelung von Verdichtern in Klaranlagen jedoch vollig aus, da die Anlagenkennlinie horizontal ist und zur Gewahrleistung eines stufenlosen Luftangebotes ein sehr breiter Regelbereich vorliegt, so dass der Verdichter bei Teillast ins Pumpen geriete (Abb. 7.6).

Drallregelung

Die Drallregelung bedeutet einen Eingriff in die Zustrombedingungen zum Verdichterrad. Durch verstellbare Leitschaufelnwird der zustromenden Luft ein Drall in Laufraddrehrichtung oder dieser entgegengesetzt aufgezwungen. Durch diese Veranderung des Stromungswinkels am Laufradeintritt kann die theoretische Verdichtungsarbeit beeinflusst werden. Damit sind auch niedrige Teillasten bei entsprechender Auslegung des Verdichters noch fahrbar (Abb. 7.7). Das Wirkungsgradniveau ist im Optimum sehr hoch, fallt aber zu extremer Teillast hin stark ab. Turboverdichter konnen mit dieser Regelung gut an die Erfordernisse von Klaranlagen angepasst werden.

Nachleitregelung

Bei der Nachleitregelung befinden sich verstellbare Leitschaufeln im Paralleldiffusor hinter dem Verdichterrad. Durch ein verstellbares Leitgitter hinter dem Laufrad kann riickwirkend die im hufrad erzeugte theoretische Verdichtungsarbeit nicht beein-

7.3 Regelanforderungen in Klitranhgen

Abb. 7.6 Kennfeld eines Turboverdichters bei Drehzahlregelung

flusst werden. Durch VergroBerung oder Verkleinerung der durchstromten Flache beim Verstellen des Leitgitters wird stattdessen die Fordermenge geandert. Wie Abb. 7.8 zeigt, ist bei dieser Regelungsart das Wirkungsgradniveau generell geringer als bei der Vorleitregelung, jedoch ist der Wirkungsgradabfd bei kleiner Menge nur sehr gering. Weiterhin wird die Lage der Pumpgrenze positiv beeinflusst. Diese Regelung erfiillt die Anforderungen in Klaranlagen ebenfalls recht gut. Kombiregelung

Die Kombination von Vorleit- und Nadeitregelung im Difisor ist bei Verdichtern, die fur die Beluftung von Belebungsbecken in Klaranlagen eingesetzt werden, stark verbreitet. Durch sie konnen die Verdichtungsarbeit und die Fordermenge weitgehend unabhangig voneinander geregelt werden. Der Drdregler ubernimmt dabei ubenviegend die Anpassung der Forderhohe, der Nachleitapparat die Anpassung der Fordermenge (Abb. 7.9). Ublicherweise werden die Verdichter mit einem sogenannten Local Control Panel (LCP) versehen, in dem sie mit Hilfe einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) so gesteuert werden konnen, dass sie abhangig vom momentanen

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191

192

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7 Wirtschojlicher Betrieb von Turboverdichtern

Abb. 7.7

Kennfeld eines Turboverdichters bei Drallregelung

Betriebspunkt jederzeit mit der optimalen Kombination von Vorleit- und Nachleitwinkeln und damit bei minimaler Leistungsaufnahme betrieben werden konnen. In Abb. 7.10 sind die typischen Funktionen eines solchen Schaltschranks dargestellt.

7.3.2

Regelung mehrerer Verdichter

In Abschnitt 7.3.1 wurde beschrieben, wie einzelne Turboverdichter optimal an die Regelerfordernisse in Klaranlagen angepasst werden konnen. Grundsatzlich kommen in Klaranlagen aber mehrere Verdichter im Parallelbetrieb zum Einsatz. Ublichenveise ergibt sich die Zahl der eingesetzten Verdichter aus dem geforderten Regelbereich der gesamten Klaranlage. Bei dem gangigen Regelbereich eines Verdichters von 45 100% Volumenstrom wird also bei einem Regelbereich der Gesamtanlage von z. B. 15- 100% die Gesamtmenge auf drei Verdichter aufgeteilt. Hinzu kommt meistens eine sogenannte standby-Maschine fur Wartungszeiten.

7.3 Regetonforderungen in Klamnhgen I193

o m .

5Dooo.

\ I

I

I

I

I

5 0

6 0

7 0

4 m .

-0.

2mo.

1woO.

0

1 0

2 0

3 0

4 0

m3/s Abb. 7.8

Kennfeld eines Turboverdichters bei Nachleitregelung

Eine Herausforderung stellt die Gewahrleistungder richtig bemessenen Luftmenge

zu den einzelnen Belebungsbecken dar. Es existieren diverse Lijsungsansatze, von denen die grundlegenden in Abb. 7.11 und 7.12 dargestellt sind. Allen Regelungsansatzengemein ist die Uberwachung jedes einzelnen Verdichters durch einen lokalen Schaltschrank. Dieser iibernimmt neben Uberwachungsfunktionen auch Regelungsfunktionen. Letztere besteht darin, aus den Eingangssignalen ,,Druck und Temperatur saugseitig" sowie ,,Druck druckseitig" den momentanen Betriebspunkt des Verdichters zu berechnen und die hierzu optimalen Positionen von Vorleit- und Nachleitapparat zu berechnen und einzustellen (Abb. 7.10). Zu diesen Berechnungsfunktionen wird iiblicherweise eine SPS eingesetzt. WShrend der lokale Schaltschrank in der Lage ist, den einzelnen Verdichter optimiert zu betreiben, muss noch eine geeignete Sollwertvorgabe fiir alle Verdichter gewShrleistet sein. Dazu dent ein weiterer Schaltschrank, das sogenannte Master Control Panel (MCP).Es gibt Systeme, bei denen die Sollwertvorgabe fur diese MCP's aus Sauerstoffsonden in den Belebungsbecken abgeleitet ist, dann spricht man von der sogenannten 02-Regelung.Bei der sog. P2-Regelungwird der Druck in der gemeinsamen Druckleitung der Verdichter konstant gehalten, wiihrend die je Bele-

4Moo.

-

3mo

2wo.

~

tmo.

0

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2 0

3 0

\ continous Spe!rvbl.l l ~ s rOauerb.l!icb running not p*rmitl.d Abb. 7.9

4 0

6 0

5 0

m3/s

Kennfeld eines Turboverdichters bei Kombiregelung

,...............................

I

.I

...........

I

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I,.

+I-v MCP ad* P J

'

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,

1.-

..-.?-.,-I.

1 0

-. .-..-..-. .-

1.

. I

Abb. 7.10 Typische Funktionen eines lokalen Schaltschrankes

7.3 Regelanforderungen in Kliiranlagen

0,- Regelung

Abb. 7.11

0,-Regelung

bungsbecken aktuell benotigte Luftmenge durch Blendenregulierschiebereingestellt wird, die ihr Signal wiederum aus einer Sauerstoffsondeim jeweiligen Belebungsbekken erhalten. Im LCP werden die dieserart erhaltenen Werte in die Signale ,,mehr Volumenstrom" oder ,,weniger Volumenstrom" fur die einzelnen LCP's umgesetzt. Da in den LCP die Kennfeldgrenzen eines Verdichters abgespeichert sind, meldet eine LCP im Falle des Erreichens einer solchen Grenze die Grenzwerterreichung an das MCP zuriick, sodass stattdessen ein anderer Verdichter angesprochen werden kann. Die beiden oben dargestellten Regelungsphilosophien fur Gesamtanlagen stellen lediglich zwei Grundkonzepte dar. Die 0,-Regelung hat gegenuber der P,-Regelung den Nachteil, dass unterschiedliche Sauerstomedarfe fur die einzelnen Belebungsbecken nicht realisiert werden konnen. Andererseits handelt es sich bei der reinen P,-Regelung um eine besondere Art der Energievergeudung, da der Druck in der gemeinsamen Druckleitung immer konstant hoch gehalten werden muss, selbst wenn dieses Druckniveau nur sehr selten erforderlich ist. Mittlenveile existieren diverse aus diesen beiden Grundkonzepten abgeleitete Regelungsphilosophien, bei denen die beiden Regelkreise "Verdichter optimal betreiben" und ,,Beluftungoptimal betreiben" zusammengefiihrt werden. Diese Konzepte

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196

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7 Wirtschaftlicher Betrieb von Turboverdichtern

pz -Regelung

Abb. 7.12

P,-Regelung

halten mit Hilfe einer Durchflussmengenmessungin der gemeinsamen Druckleitung den Druck in dieser Leitung auf dem z u m jeweiligen Zeitpunkt erforderlichen Niveau und dienen damit der absolut Energieoptimierten Fahrweise der gesamten Anlage. Sie sind bekannt unter dem Begriff ,,Most Open Valve Control". Von relevanter Bedeutung fiir die Fahrbarkeit und den Energieverbrauch von Gesamtanlagen ist auch die Art der Lastverteilungaufdie einzelnen Verdichter. Denkbar ist die parallele Lastverteilung fiir alle Betriebspunkte. Dem steht aber die ubliche Auslegungsphilosophie von Turboverdichtern entgegen: Man versucht die Auslegung der Maschinen so zu optimieren, dass die Vollastbetriebspunkte moglichst im Bereich des Wirkungsgradoptimums der Maschinen liegen, da dort die absolute Energieeinsparung maximal ist. Weiterhin wird durch die parallele Fahrweise der Regelbereich der Gesamtanlage eingeschrbkt. Erhebliche Vorteile weist hingegen die sogenannte Kaskadenregelung (Abb. 7.13) auE Bei minimalem Luftbedarf der Anlage ist ein Verdichter innerhalb seines Regelbereiches (45 - 100%) in Betrieb. Steigt der Luftbedarfweiter an, so gehen weitere Verdichter in Betrieb. Das geschieht folgendermagen:

7.3 Regelanforderungen in Klaranlagen

300

Komp. 3:

45%

Komp. 2:

85 %

250

EE' 200 3 Y

, 150 i E

.-aJ 100

5 4

50 0 0

50

100

150

200

250

300

AnlagenvolumenstromPO] Abb. 7.13

Kaskadenregelung

Verdichter 1 regelt zuriick a d MIN Verdichter 2 startet in MIN Verdichter 1 regelt bis MAX, Verdichter 2 fordert in MIN Verdichter 1 fordert in MAX, Verdichter 2 regelt bis MAX Verdichter 2 regelt zuriidc a d MIN, Verdichter 3 startet in MIN Verdichter 2 regelt bis MAX, Verdichter 3 fordert in MIN

usw. Der Vorteil dieser Fahrweise liegt darin, dass immer eine moglichst groBe Zahl von Verdichtern bei Volllast, also in der Nahe des Wirkungsgradoptimums, operieren und damit die Gesamtleistungsaufnahme minimiert wird. Ferner wird bei dieser Fahrweisedas Zu- und Abschalten von Verdichtern bei variierendem Lufibedarfminimiert. Withrend die Start-und Abfahrprozedur jedes einzelnen Verdichters von dem LCP gesteuert und uberwacht wird, kommen die Start-/Stop-Signalevom MCP. Ferner ist in die MCP's ublicherweise eine Priorittitsvorwahlintegriert, mit deren Hilfe das Klaranlagenpersonaldie Betriebsstundenentwiddungjedes einzelnen Verdichters beeinflussen kann (Abb. 7.14).

I

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7 Wirtschaftlicher Betrieb von Turboverdichtern

Prozessleitsystem

I

A Abb. 7.14

B

SchaltschranW a r t e

C

D

E

MCP/LCP-Konfiguration

7.4

Wirtschafilichkeitsvergleich verschiedener Verdichterbauarten

Gelegentlich werden die hohen Kosten verglichen mit Drehkolbenverdichtern als Argument gegen Turboverdichter ins Feld gefuhrt. Das gilt jedoch lediglich fur die Investitionskosten, da es sich bei Turboverdichtern um sehr komplexe Maschinen handelt. Zum fairen Vergleich beider Bauarten sollte ein korrekter Wirtschaftlichkeitsvergleich durchgefuhrt werden. Wie Abb. 7.15 an Hand eines realistischen Beispiels zeigt, muss dazu der Wirkungsgrad iiber den gesamten Regelbereich miteinander verglichen werden. Da beim Drehkolbenverdichter zur Realisierung eines Regelbereiches ein drehzahlgeregelter Antriebsmotor erforderlich ist, ist hier auch noch der Wirkungsgrad des Frequenzumrichters zu beriicksichtigen.

7.5 Zusammenfassung

I

199

Wirkungsgrad % 90

-

r

-r 1

T---

-~

I

80

1

70

60

50

q

= rl

gesamt

Vert$

x T l Motor x

q

Frequenzurirlchter

I 40

30 40

50

60

70

80

90

100

.

Abb. 7.15

Wirkungsgradvergleich. 1) Turboverdichter mit konstanter Drehzahl und mit Nachleit- und Vorleitregelung; 2) Drehkolbenverdichter mit Drehzahlregelung fur V = 5000 Nm'/h, p = 700 mbar

t, = 30°C

Wie Tab. 7.1 zu entnehmen ist, muss als nachstes ein Lastkollektiv erstellt werden. AnschlieBend konnen die Gesamtjahresverbraucheder unterschiedlichen Verdichterbauarten ermittelt werden. Uber den zu Grunde gelegten Preis pro Kilowattstunde erhat man dann die Energiekosten pro Jahr. Da der Turboverdichter hier eindeutige Vorteile gegenuber dem Drehkolbenverdichter hat, kann die Differenz der Investitionskostenzu einer recht kurzen Amortisationszeit beim Einsatz von Turboverdichtem fiihren.

7.5

Zusarnrnenfissung

In diesem Kapitel wurde der wirtschaftliche Einsatz von Turboverdichtern in Klaranlagen beschrieben. Nach einem Vergleich mit anderen Verdichterbauarten wurde ausfiihrlich auf das stromungstechnische Verhalten und das Regelungsverhalten sowohl des einzelnen Verdichters als auch mehrerer Verdichter im Parallelbetrieb eingegangen.

200

I

7 Wirtschaftlicher Betrieb yon Turboverdichtern Tab. 7.1

Wirtschaftlichkeitsberechnung

Volumenstrom % Anteil % Betriebsstunden pro Jahr

100 20 1.600

80 30 2.400

60 30 2.400

45 20 1.600

120 192.000

100 240.000

75 180.000

60 96.000

95 228.000

75 120.000

Turboverdic hter Leistung kW kW hlJa hr Gesamt kWh/Jahr

708.000

D re hkolbenverdichter Leistung kW kW h/Jahr

149 238.400

Gesamt kWh/Jahr

121 290.400 876.800

Differenz zwischen Turbo- und Drehkolbenverdichler Energiekosten

168.800 kW hlJahr

0,07 EUROlkWh = 11.816 EUROlJahr 0,lO EUROlkWh = 16.880 EUROlJahr

Den Abschluss bildet ein exemplarischerWirtschaftlichkeitsvergleichzwischen verschiedenen Verdichterbauarten. Weiterfihrende Literatur WESTPHAL, G.: Turboverdichter fur biotechnische Anlagen, in: G.Vetter: Verdichter, Handbuch 1. Ausgabe, Vulkan-Verlag, Essen, 1990. JACOBY, K., HERBST, R.: Stromungstechnische und mechanische Dimensionierung von RadialGetriebeverdichtern, in: VDI-Berichte 947, VDI-Verlag, Dusseldorf, 1992. MOHRIG,W.: Druckluftpraxis, Resch-Verlag, Grafelfing, 1988.

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8

Hinweise zur Betriebsoptimierung der Beliifiung Joachim Reichert

8.1

Einleitung

Bei den meisten Abwasserbehandlungsanlagen ist die Beluftung der wesentliche Verfahrensschritt fur die Abwasserreinigung. Ihre Funktionsfhigkeit ist Voraussetzung zur Einhaltung der gesetzlichen Anforderungen der Kohlenstoff- sowie Stickstoffelimination und somit auch von strafrechtlicher Relevanz. Abhsngig von der Verfahrenstechnik, der GroBenklasse und der Auslastung der Abwasserreinigungsanlage nimmt die Beliiftung einen GroBteil des Energiebedarfs ein. So werden beispielsweise bei Belebungsanlagen mit Nitrifikation/Denitrifikation und gebennter anaerober Schlammbehandlung der GroBenklassen 4 und 5 im Mittel 16 kWh/ (EW . a) flir die Beliiftung aufgewendet, was einem Anteil von 40-50% des Gesamtenergieverbrauchs entspricht [ l]. Bezogen auf einen Anteil der Energiekosten an den Betriebskosten von 10- 15 % [5] ergibt sich damit ein Betriebskostenanteil von 4-7,s %. Vor diesem Hintergrund gehoren die Gewahrleistungeines zuverlassigen Betriebes und die technische sowie wirtschaftliche Optimierung des Belhngssystems zu den wichtigsten Aufgaben des Anlagenbetriebes. In der vorliegenden Ausarbeitung werden Moglichkeiten zur Betriebskosteneinsparung durch Optimierung des Bellfttungssystems und der wesentlichen Beluftungseinrichtungen (bestehend aus Verdichtem/Oberflachenbellfttem, Beluftungselementen und peripheren Anlagen wie z. B. Rohrleitungen, Einrichtungen der MSR-Technik usw.) behandelt. Dartiber hinaus werden MaBnahmen zur Optimierung des Reinigungsprozesses mithilfe der Beliiftung diskutiert, die sich uber eine Verminderung der Kosten fiir die Abwasserabgabe indirekt auch auf die Betriebskosten auswirken.

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202

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8 Hinweise zur Eetriebsoptimierung der Belujlung

8.2 Optimierung des Beliifiungssystems

8.2.1 Allgemeines

Betriebliche Optimierungen des Beluftungssystems zielen hauptsachlich auf die Instandhaltung - bestehend aus Inspektion,Wartung und Instandsetzung - sowie aufdie Reduzierung des Energiebedarfs ab. In diesem Zusammenhang kann es auch erforderlich werden, das gesamte Beluftungssystem durch ein Geeigneteres zu ersetzen. Die Instandhaltung hat sowohl Auswirkungen auf die Betriebssicherheit des Systems als indirekt auch auf den Energieverbrauch. Da aufgrund ausreichender Redundanzen nur in den seltensten Fallen ein Totalausfall der Beluftung auftritt, sind die Folgen einer unzureichenden Instandhaltung meist in einem erhohten Energieverbrauch oder einer graduellen Verschlechterungder Reinigungsleistung erkennbar. Der erstgenannte Aspekt wird im Folgenden anhand moglicher MaBnahmen zur Energieeinsparung ausfuhrlich diskutiert. Die Verbesserung der Reinigungsleistung steht im Mittelpunkt des Abschnitts 8.3. 8.2.2 Malhahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs

Zu Beginn der Optimierungsmagnahmen ist eine Energieanalysedurchzufiihren, die auf der systematischen Erfassung der 1st-Situationdes Energieverbrauchs und einem anschliegenden Vergleich der errnittelten Verbrauchsdaten mit meist empirisch begriindeten Referenzwerten bzw. Kennzahlen beruht. Gmndsatzlich werden Kennzahlen gebildet, indem zwei oder mehrere Messgrogen miteinander ins Verhaltnis gesetzt werden. So ist z. B. die Sauerstoffausnutzung unter BetriebsbedingungenaOA ["A]eine sog. ,,Verhaltniszahl",welche den in das Abwasser ubergegangenen Sauerstofiolumen- oder -massenstrom als Prozentsatz des in das Becken eingetragenen Sauerstoffstromes ausdriickt. Eine sog. ,,Beziehungszahl"liegt vor, wenn eine Messgroge - z. B. der Energieverbrauch in der Belebung - auf eine EinflussgroBebezogen wird, die mit ihr in einem ursachlichem Zusammenhang steht (z. B. der Anlagenbelastung). 8.2.2.1 Energieanalysen mithilfe von Kennzahlen

Wesentlich fur die Venvendung von Kennzahlen ist deren Eignung, den betrachteten Sachverhalt- hier den Energieverbrauch der Belebung - adaquat zu beschreiben. Die Eignung einer Kennzahl ergibt sich u. a. aus der Genauigkeit, d. h. dem Mag, mit dem die Einflussgrogeursachlich fur die Messgroge ist: ,,Wie stark wird der Energieverbrauch der Beliiftung von der EinflussgroBe (z. B. der Anlagenbelastung oder dem Stoffumsatz) beeinflusst?"

8.2 Optimierung des Beluflungssystems

0

der Genauigkeit der Ermittlung der zu Grunde liegenden Messdaten: ,,Wie genau lassen sich der Energieverbrauch und die jeweiligen EinflussgroBen bestimmen?" ihrer Unempfindluhkeit gegenuber von StorgroBen: ,,Wie stark wird die Kennzahl durch Ungenauigkeiten/Fehler bei der Messdatenerhebung und der Auswertung vefldscht?" der Vergleichbarkeit als Mag, in welchem Umfang die Kennzahl- auf gleiche Sachverhalte innerhalb eines Systems angewandt - reproduzierbare Resultate liefert: ,,Sinddie Kennzahlen einer Klaranlage aus einer bestimmten Zeitperiode mit denjenigen anderer Zeitraume vergleichbar?" der ihrtrugbarkeit als Mag, in welchem Umfang die Kennzahl auf gleiche Sachverhalte bei anderen, ,,ahnlichen" Systemen, ohne ihre Bedeutung zu verandern, angewandt werden kann: "Konnen die Kennzahlen einer bestimmten Klaranlage auf andere Anlagen mit ahnlicher Verfahrenstechnik ubertragen werden?"

In Tab. 8.1 sind Beispiele von Kennzahlen fur die Energieanalyse von B e l h g s s y stemen zusammengestellt, die anhand vorgenannter Kriterien bewertet sind. 8.2.2.2

Beispiel f i r die Anwendung stofirnsatzbezogener Kennzahlen

Die grafische Auswertung der Kennzahl ,,GSV-bezogener Stromverbrauchin der biologischen Stufe" ermoglicht es, sowohl zeitliche Entwicklungen einer bestimmten Anlage darzustellen als auch einen Anlagen iibergreifenden Vergleich rnehrerer Betriebsstellen durchzufdu-en. WesentlicheVoraussetzung fur ihre Anwendung ist eine einheitliche Systematik bei der Ermittlung. Um die Belastungssituation der Klaranlage zu beriicksichtigen, hat es sich bewahrt, die Kennzahlen als Funktion der Anschlussgroge darzustellen. Die sich ergebende Ausgleichskurve ermoglicht eine Einordnung der unterschiedlichen Anlagen in einen ,,Positiv"-Bereichunterhalb und einen ,,Negativ"-Bereich oberhalb der Kurve. Einsparpotenzialewerden auf diese Weise visualisiert. Dennoch ist es stets erforderlich, die ermittelten Kennzahlen bezogen auf die lokal spezifischen Randbedingungen - wie z. B. die Auslegung des Beliiftungssystems als Druck- oder Oberflachenbeluftung,die Ausstattung des Belebungsbeckens mit Riihrwerken, die Belastung des Abwassers mit oberflachenaktiven Stoffen usw. - individuell zu bewerten. Abbildung 8.1 bietet einen QuervergIeich des spezifischen Stromverbrauchs in der Belebung fi.ir verschiedene Klaranlagen eines Abwasserverbandes. Dartiber hinaus ist am Beispiel eines Klarwerks (Abkiirz. ,,NE") die erzielte Einsparung durch die Umrtistung der Druckbeluftung im Friihjahr 1999 von einem linienbezogenen grobblasigen in ein flachendeckendes, feinblasiges System mit hoher Belegungsdichte dargestellt. Durch diese Mafinahme konnte der spezifische Stromverbrauch von 1,2G auf Oh7 kWh/kg GSV anntihernd halbiert werden (s. auch Abb. 8.2). Dies entspricht einer Betriebskosteneinsparungvon 60 000 €/a.

I

203

KWh/(EW* a)

KWh/kg GSV

Einwohnerbezogener Energieverbrauch

GSV-bezogener Energieverbrauch**

+

0berfl:bel. [6]: gut: 1,5-1,9 mittl. Werte: 1.2-1,4

gut: 1,s-2.3 mittl. Werte: 1,O-1.8

Druckluft [6]:

0,5-1,5 [S]

17,2-25,s [3], 15-20 [4]

Wertebereich/ Referenzwerte Stromverbrauch des Belebungsbeckens realer Anschlusswert der Anlage

Betriebsbedingungen - a0C - Leistungsaufnahme der Beluftungseinrichtung

- 0,-Eintrag unter

des Belebungsbeckens - CSB- und N-Umsatz in der Belebungsstufe

- Stromverbrauch

-

-

++

++ ++

+

geringe Eignung, da kein direkter Zusammenhang zwischen Stromverbrauch und Anschlusswert + rein empirische GroSe - Vergleichbarkeit aufgrund von Schwankungen der Anschlussgrog, und der Stoffibergangsintensitat gering - Ubertragbarkeit auf andere Anlagen hum moglich + geringer Aufwand, Genauigkeit der Grunddaten relativ hoch Fazit: fiir quantitative Aussagen nicht geeignet gute Eignung, da Stromverbrauch auf Sauerstoffumsatz im Belebungsbecken bezogen wird +/- Vergleichbarkeit aufgrund moglicher zeitlicher Schwankungen der Stoffubergangsintensitat eingeschrankt +/- Ubertragbarkeit auf andere Anlagen begrenzt moglich +/- relativ hoher Aufwand, Genauigkeit der Grunddaten hoch Fazit: bedingt geeignet sehr gute Eignung, da Stromaufivand f i r effehven Sauerstoffeintrag gemessen wird Vergleichbarkeit sehr hoch, zeitliche Schwankungen der Stoffibergangsintensitiit werden verdeutlicht (bei Abluftmessungen) Ubertragbarkeit sehr hoch - hoher Aufwand Fazit: f i r regelmagige betriebliche Anwendung nicht geeignet -

Erforderliche Mesungen/ Bewertung der Kennzahl Bestimmungen

*

+

Bewertungen: ++ sehr gut; gut; +/- befriedigend - unghnstig; -- sehr ungiinstig EW: tatsachliche Anlagenbelastung ** GSV: Gesamtsauerstoffverbrauch = 0,-Verbrauch durch CSB-Abbau, Nitrifikation und Denitrifikation mit: GSV = F(CSB,i,, ) 1 , 7 . F(NHI-N,I,, ) 2,86. F(NO,-NAbl BB); z. B. in kg/d F(CSBe~,,,-Fracht eliminiert usw. z. B. in kg/d

+

Sauerstoffertrag unter kg O,/kWh Betriebsbedingungen aOp

Einheit

Kennzahlen zur Energieanalyse von Beluftungssystemen

Kennzahl

Tab. 8.1

2

5

?

'

2

2

3

3.

-.,

?!1. %

E,

hl

P

I 2F.

0

-

8.2 Optimierung des Be/iijh.mgssystems I205

GSV = F(CS&)

+ 1,TF (NY-Nm) + 2.88'F(m-N-) 1.m

im

1. m.o0o

1OO.OOO

1o.m

EW t w w a 6 kWhgeslkgGSVlW9

-Lcg&!hnisch(kWhges/kgGSVlB99)

OKwNe199E

1

Abb. 8.1

Quervergleich des spezitischen Stromverbrauchs in der biologischen Stufe auf ausgewahlten Klaranlagen eines Abwasserverbandes

Austausch der

2 o o . m

150.000

100.OOO

5 0 . m

-

0,OO

0

Jan99

Feb99

Mm99

spez Stmmvetbrauch

Abb. 8.2

Apr99

Maim

Jun99

Jul99

Aug99

Sep98

OM99

Nov99

Dez98

Datum (-1 GSQ --O- Stmmwwbrauch @Wht'M] 4

. Gesamtsawfstolhwrbrauchllq GSVM I

Zeitreihenvergleich des absoluten und spezitischen Strornverbrauchs in der biologischen Stufe eines Klarwerkes

206

I

8 Hinweise zur Betriebsoptirnierung der Be/i$uiung

Der in Abb. 8.2 dargestellte Zeitreihenvergleichzeigt - auf eine bestimmte Adage bezogen - die zeitliche Entwicklung der Kennzahl. Erst durch die Gegenuberstellung mit den beeinflussenden GroBen (hier dem Gesamtsauerstoff-und -stromverbrauch) wird deutlich, dass die in Abb. 8.1 dargestellte Halbierung des spezifischen Energieverbrauchs auf eine Steigerung der Beliiftungseffektivitat zuriickzufiihren ist. 8.2.2.3 Kennzahlen auf der Basis von Sauerstoffeintragsmessungen

Fur die Bestimmung des Sauerstoffeintragsunter Betriebsbedingungen wird auf die einschlagige Literatur, z. B. das ATV-Merkblatt 209 [7]verwiesen. Wesentlich ist, dass die konventionellen Bestimmungsmethoden, wie z. B. die instationare Methode durch Absorptions- oder Desorptionsmessungen auf Randbedingungen beruhen, die im realen Anlagenbetrieb nicht zutreffen. Insbesondere wird dabei die Konstanz der Atmungsaktivitat des belebten Schlamms und der Stoffubergangseigenschaftendes Abwassers gefordert, wobei beide Einflussfaktoren erheblichen Tages-, Wochen-, saisonalen und dartiber hinaus zufalligen Schwankungen unterworfen sind. Die Abluftmethode beruht auf einer Gasphasenmassenbilanz, wodurch sich unabhangig von der Abwasser- oder Tensidbelastung der effektiv in das Abwasser ubertragene 0,-Anteil als Sauerstoffausnutzung unter Betriebsbedingungen aOA (in %) bestimmen lasst. Mit Kenntnis des gesamten eingetragenen Luholumenstroms ist die Bestimmung der Sauerstoffzufuhr unter Betriebsbedingungen aOC moglich. Der wesentliche Vorteil dieser Methode besteht darin, dass im Gegensatz zur instationaren Methode eine raumliche und zeitliche Differenzierung des Stoffubergangs im Becken moglich ist [8]. Aufgrund der erforderlichen Erfahrung bei der Anwendung und des hohen apparativen Aufwands ist die Anwendung der Methode in der betrieblichen Praxis kaum moglich. Sie wird daher vonviegend in Sonderfallen, z. B. zur Uberprtifung von Garantiewerten durch Fachfirmen oder Hochschulinstitute ausgefiihrt. Dennoch liefert die Methode bei richtiger Anwendung belastbare Kennzahlen zur Wirtschaftlichkeit der Beluftung, die als Entscheidungsgrundlage fur Ausbau- oder InstandhaltungsmaBnahmen dienen konnen.

8.2.3

Mai3nahmen zur Senkung des Energieverbrauchs

Tabelle 8.2 (vgl. S. 208/209) fuhrt mogliche Ursachen fur einen hohen Energieverbrauch der Beluftung auf und stellt dariiber hinaus mogliche VerbesserungsmaBnahmen dar.

8.3 Optimierung des Reinigungsprozesses mithilfc der Belijftung

8.3 Optimierung des Reinigungsprozesses mithilfe der Beliiftung

8.3.1 Allgemeines

Das primare Ziel der Abwasserreinigung besteht darin, die Ubenvachungswerte zuverlassig einzuhalten. In diesem Zusammenhang ist neben der mittleren Eliminationsleistung die Prozessstabiliut von Bedeutung. Bezuglich beider Anforderungen spielt das Beluftungssystem als Steuerungs- oder Regelungsinstrument eine wichtige Rolle. Gleichzeitig ist das Reinigungsziel mit moglichst geringem wirtschaftlichem Aufwand zu erreichen. Da - wie bereits ausgefiihrt - die Beluhng den weitaus grogten Anteil der Stromkosten - somit einen erheblichen Anteil der Betriebskosten ausmacht und die Aufwendungen fiir die Beluhng wesentlich durch die Prozessfuhrung beeinflusst werden, kommt der Prozessoptimierung auch bei der Erreichung des wirtschaftlichen Ziels eine hohe Bedeutung zu. In den nachsten Abschnitten werden daher Moglichkeiten aufgefiihrt, den Reinigungsprozess mithilfe der Beluhng zu optimieren. Im Einzelnen werden verschiedene Verfahren der Sauerstoffregelungund Regelungs-und Steuerungskonzepte dargestellt, die zwar auf der Messung anderer Parameter basieren, jedoch als wichtigstes Stellglied die Beliiftung aufweisen. 8.3.2 Regelung der Sauerstofiufuhr

Die Sauerstoffzufuhr muss aus verfahrenstechnischen und wirtschaftlichenGriinden stets bedarfsgerecht erfolgen. Voraussetzung fiir einen storungsfreien Betrieb ist die Regelung einer Soll-0,-Konzentration an definierten Positionen innerhalb des Belebungsbeckens. Folgende Verfahren stehen prinzipiell zur Verfugung: Festwertregelung Sollwertfuhrung nach Zeitplan Sollwertfiihrung mit Storgr@enau$chaltung 8.3.2.1

Festwertregelung

Festwertregelungen werden als einfache und mehfache Regelungen ausgefuhrt: Einfiche Festwertregelung

Die einfache Festwertregelung basiert auf der Einhaltung eines konstanten Sollwertes an einer bestimmten Messposition. Der wesentliche Vorteil des Konzeptes besteht im geringen mess- und regelungstechnischen Aufwand und der daraus resultierenden Betriebssicherheit. Problematisch ist vielfach die Festlegung eines reprasentativen Messortes, insbesondere dann, wenn das Belebungsbecken nicht als vollstandig durchmischter Reaktor ausgelegt ist.

I

207

208

I

8 Hinweise zur Betriebsoptimierung der Belujiung

Ursachen eines erhohten Energieverbrauchs von Beluftungssystemen und mogliche VerbesserungsmaBnahmen (DL = Druckluftbeluftung. OB = Obertlachenbelijftung)

Tab. 8.2

Mogliche Ursachen

Verbesserungsmagnahmen

ineffektive Verfahrensfuhrung

Optimierung der Verfahrensfiihrung (s. Abschnitt 8.3)

ungunstige Auslegung Verbesserung der raumlichen Verteilung des 0,-Eintrags durch: des Beluftungssystems - Anordnung der - Einbau zusatzlicher Beluftungselemente in stark belasteten Zonen, z. B. im BeluftungseinrichtunZulaufbereich der belufteten Zone (DL) gen im Becken - Abschalten einzelner Aggregate (OB)/ Beluftungsstrange (DL) in Zonen mit niedrigem 0,-Bedarf (z. B. im Ablaufbereich der belufteten Zone), (DL maximale Luftbeaufschlagung der Beluftungselemente beachten!) - Herstellen definierter Beliiftungsverhaltnissein Verfahrenseinheiten, die im lokalen oder temporaren Wechsel anoxisch und aerob betrieben werden -+ kurzes oder lokal begrenztes, intensives Beluften (indifferente 0,Konzentrationen zwischen 0,2 -0,8 mg/L vermeiden!)

- Abstufung der

-

Verdichter-/ Aggregateleistung Regelung der Verdichter

Verbesserung der Abstufung der Verdichter-/Aggregateleistung(Anpassung des verfugbaren Arbeitskennfeldes an den 0,-Bedarf): - Abschalten uberflussiger Aggregate, ggf Erhohung der Eintragsleistung (Anpassung von Gehieben, Motoren) - Ausriistung der Aggregate mit polumschahbaren Motoren (OB/DL) oder Frequenzumrichtern (DL) - ggf. Austausch ungeeigneter Aggregate (auf Grundlage von Wirtschaftlichkeitsanalysen) - Optimierung des Einsatzkonzeptes der Aggregate unter Anpassung an den Punkt des haufigsten Einsatzes, sinnvolle Kombination geregelter und ungeregelter Aggregate zur Grund- und Spitzenlastabdeckung (91 (bei grogen Maschinen Einschalthaufigkeiten beachten!)

Instandhaltungsdefizite Verbesserung der Instandhaltung durch: - Regelmagige Inspektion aller maschinellen Einrichtungen, Uberwachung des Differenzdrucks auf der Druck- und Ansaugseite der Verdichter (DL), Kontrolle des Druckverlustes an Referenz-Beluftungselementen (sogen. ,,Testlanzen"), - Sichtkontrolle des Blasenbilds zum friihzeitigen Erkennen von Membranschaden und Zonen mit schwacher Beluftung (DL), Sichtkontrolle der Oberflachenbelufter auf mogliche Ablagerungen (OB) - Regelmagige Watiung: - Schmieren der Lager und Getriebe (OB), Reinigungvon Filtermatten (DL). Beseitigung von Ablagerungen an Oberflachenbeluftern - tagliches Ausblasen des Kondensats (DL)

8.3 Optimierung des Reinigungsprozesses mithi@ der Beliiftung Tab. 8.2

Fortsetzung

Mogliche Ursachen

VerbessemngsmaRnahmen

Verschlechterung der Vermeidung/Beseitigung von Ablagerungen: Sauerstoffeintragleistung - Regelmaiger .Reinigungsbetrieb" der Beliiftungselemente durch stogartiges Hochfahren der Geblase (sog. .Bumping", dabei die zulassige bei DL aufgrund von: - Ablagerungen durch Belufterbeaufschlagung beachten!) Abwasserinhaltsstoffe - Regelmsige Reinigung der Beliiftungselemente (DL) durch - Ablagerungen durch - Zugabe von Ameisensaure in die Hauptluftdeitung: Vortcile: im laufenden Betrieb moglich, preisgiinstig. lang anhaltende biologischen Bewuchs - Alterung/Verspriidung Wirkung Nachteil: Anforderungen an Arbeitsschutz beachten der Membranen + effektives Verfahren. - Mechanische Reinigung z. B. mit Hochdrudaeinigem: Nachteile: Augerbetriebnahme des Beckens erforderlich, personalintensiv und Wirkung zeitlich meist begrenzt, + ineffektives Verfahren. Verbesserung der 0,-Eintragsleistung durch - Austausch der Bekiftungselemente (ggf. geeignetere Membrantypen) oder - Austausch des Beluftungssystems (Verteilerleitungen, Beliiftungsgitter/-elemente etc.) im Sonderfall: unter Beriicksichtigung spezifischer Randbedingungen (Beckengeometrie. Abwassereigenschaften usw.) ggf. auch Urnstellung auf Oberflachenbeluftung.

Lang gestreckte Becken wirken als Kaskade oder Becken mit Propfenstromung. In beiden Fallen tritt in Abhangigkeit von der Abwasserfracht, dem Sauerstoffeintrag und dem resultierenden Stofhmsatz ein lokal und zeitlich ausgepragtes 0,-Profil in Richtung der Beckedangsachse auf. Die Messposition einer einfachen Festwertregelung muss daher so festgelegt werden, dass in der beliifteten Zone iiberall Sauerstoff in ausreichendem MaBe eingetragen wird und gleichzeitig keine 02-Uberversorgung (z. B. am Beckenende) auftritt. Ublicherweise wird als Messort meist der zweite Drittelpunkt im Belebungsbeckenvorgeschlagen [9], der am besten geeignete Messort sollte jedoch stets auf der Basis eigener 0,-Profilmessungen festgelegt werden. Weiterhin ist eine sukzessive Anpassung des O,-Sollwertes in Abhagigkeit von den betrieblichen Randbedingungen, z.B. der Abwassertemperatur und den erzielten Reinigungsergebnissen sinnvoll. Da der O,-Eintrag linear vom Sattigungsdefizit abhangt, fiihrt eine Anhebung der O,-Konzentration auf den in der Literatur genannten Wert von 2 mg/L gegeniiber den Erfordernissen des C-Abbaus zwangslaufig zu einem hoheren Beluftungs- bzw. Energieaufwand. Betriebserfahrungen zeigen, dass die 02-Konzentrationvor allem im Sommer auf Werte von deutlich unter 2 mg/L reduziert werden kann, ohne die Nitrifikationsleistung merklich zu verschlechtern. Die bei einer Konzentration von gegeniiber von 2 mg/L erzielte Einsparung betragt:

210

I

8 Hinweise zur Betriebsoptirnierung der Beliiftung -+

Einsparpotenzial gegeniiber 2 mg/L

= c%T - cx . 100 in ~

%

's.T -

mit: c,,~ = 0,-Sattigungskonzentration,c ~ =, ~ T, und T,

= Wassertemperatur

2.234,34

in mg/L + 45,931,31403

in "C

Da die 0,-Loslichkeit bei steigender Temperatur abnimmt, ist ein signifikanter Effekt bei hoheren Abwassertemperaturen nur moglich, wenn die 0,-Sollkonzentration deutlich unter 2 mg/L gesenkt wird. Abbildung8.3 zeigt am Beispiel eines Klarwerks mit einer Auslegungsgroge von 635 000 EW das Einsparpotenzial als Funktion der Abwassertemperatur und der gewahlten 0,-Konzentration. Im giinstigsten Fall kann der erforderliche 0,-Eintrag um bis zu 20 %, im Jahresmittel um ca. 12 % reduziert werden. Durch diese einfache Strategie konnte der Strombedarf um ca. 1,7 Mio. kWh/a vermindert werden, was einer Stromkostensenkung von ca. 5 % entspricht. Bezogen auf die Betriebskosten ergibt sich ein Einspareffekt von 0,9 %. Die Anwendung dieser Strategie setzt trotz ihrer prinzipiellen Einfachheit besondere Erfahrung und Sorgfalt beim Betriebspersonal voraus. Dariiber hinaus muss bei starker Absenkung des Sauerstoffniveaus dem Schlammindex erhohte Aufmerksamkeit gewidmet werden (Gefahr des Auftretens von Blahschlamm). Mehrfache Festwertregelung

Die Nachteile der einfachen Festwertregelung bestehen zum einen darin, dass es in Kaskadenbecken oder Becken mit Propfenstromung lokal zur 0,-Unterversorgung in nicht uberwachten Beckenbereichen kommen kann, was sich ungiinstig auf die mittlere Eliminationsleistungauswirkt. Zum anderen ist es nicht moglich, frtihzeitig auf StoBbelastungen zu reagieren, wodurch es zwangslaufig zu NH,-N-Ablaufspitzen kommt. Um die Prozessstabilitat zu erhohen, ist die Einrichtung mehrerer separater Regelkreise mit jeweils eigenen Sollwertvorgaben in Form einer mehrfachen Festwertregelung sinnvoll. In diesem Fall ist eine getrennt ausgelegte Sauerstoffiersorgung der einzeln geregelten Beckenbereiche erforderlich (einzeln schaltbare Oberflachenbeliifter oder separat steuerbare Luftzufuhr bei der Druckbeluftung, z. B. als sogen. ,,Druckkonstantregelung"). 8.3.2.2

Sollwertfuhrung nach Zeitplan

Bei dieser Strategie wird der konstante Sollwert der Festwertregelung durch einen variablen Wert ersetzt, der auf der Grundlage eines definierten Zeitprogramms eingestellt wird. Voraussetzung fur die Anwendung ist das Vorliegen typisierbarer Ganglinien der 0,-relevanten Abwasserfrachten (CSB, N, Tenside). Um die Regelung an unterschiedliche Belastungsszenarien anzupassen, ist die Festlegung mehrerer typisierter Sollwertganglinienz. B. fur Werktage, Samstage, Sonn- und Feiertage sinnvoll. Die Vorteile der Sollwertfuhrung nach Zeitplan bestehen darin, dass

8.3 Optimierung des Reinigungsprozesses mithib der Belujung

01.01.07

0203.97

01.06.97

I I02-Einsparung

-

30.06.07 c(NH4-N) Ablauf

29.08.07

-

28.10.97

27.1207

vorh. Sauerstoffkonzentration

Abb. 8.3 Sauerstoffeinsparung durch manuelle Anpassung des Sollwertes bei der 0,-Festwertregelung

0 0

0

keine Prozessanalysatoren erforderlich sind, eine zeitliche Differenzierung des 0,-Eintrags moglich und der technische Aufwand sowie die daraus resultierenden Investitions- und Betriebskosten relativ gering sind.

Nachteilig ist, dass

0

keine automatische Anpassung an Abweichungen von der festgelegten Ganglinie moglich ist und damit Ablaufspitzen nicht zuverlassig vermieden werden konnen. Ferner ist der Aufwand f i r die Festlegung der Ganglinien und die turnusmagige Anpassung der Regelung an geanderte Verhdtnisse zu beriicksichtigen.

Die 0,-Regelung mit Sollwertfiihrungnach Zeitplan kann in den folgenden Auspragungen ausgeftihrt werden: 0

intermittierende Belu.ung nach Zeitprogramm oder mit Arbeitszeit-/PausenzeitSteuerung analoge Ausfiihrung mit mehfachen Regelkreisen,wodurch auch eine lokale Anpassung an den jeweiligen 0,-Bedarf moglich ist

Abbildung 8.4 zeigt die Stickstoffablaufkonzentrationen einer einfachen intermittierenden Beluftung mit Arbeitszeit-/Pausenzeitsteuerung am Beispiel einer kleinen Klaranlage (Auslegungskapazit2t vor Ausbau ca. 3000EW). Dabei zeigt es sich,

I*”

212

I

8 Hinweise zur Betriebsoptimierung der Beliiftung

10.05.97

24.05.97

07.06.97

21.06.97

05.07.97

19.07.97

02.08.97

16.08.97

Zen tWl

+Ammonium-N Abb. 8.4

+Nttrat-N

-L-

Ndnt-N

+- Summe Nanorg

lntermittierende Beluftung auf einer kleinen Klaranlage (ca. 3000 EW)

dass es auch bei hoher hydraulischer Auslastung (ca. 120%) moglich ist, bei Abwassertemperaturen von mehr als 12 "C eine weit gehende Stickstoffelimination zu realisieren. So konnte der Mittelwert der NanOrg-Ablaufkonzentration von 25,O mg/L schrittweise auf 7,8 mg/L gesenkt werden. Die Sollwertftihrung nach Zeitplan eignet sich wegen ihrer Einfachheit vor allem fur kleinere und mittlere Anlagen. Ihre Anwendung ersetzt grundsatzlich keinen Anlagenausbau, da das Verfahren nur dann funktioniert, wenn die erforderlichen Bekkenkapaziuten fur die Stickstoffelimination bestehen. Unter dieser Voraussetzung ermoglicht diese Strategie jedoch eine signifikante Reduktion der Stickstoffablaufiverte, da das zur Verfugung stehende Beckenvolumenzielgerichtetgenutzt werden kann. Dies gilt in besonderem MaBe auch fur die unter Abschnitt 8.3.3 aufgefuhrten Regelstrategien.

8.3.2.3

O,-Sollwertfiihrung rnit St6rgrill3enaufichaRung

Diese Regelungen werden als 0

0

0

N H 4-N-Regelungen, NO,-N-Regelungen, Redoxregelungen und sonstige Verfahren (wie z. B. Fuzzy-Regelungen, Expertensysteme)

ausgefiihrt.

8.3 Optimierung des Reinigungsprozesses m i t h e der Beliiftung

Sie basieren auf der kontinuierlichen Messung der jeweiligen RegelgroBe und ermoglichen durch die Beeinflussung der StellgroBe ,,Beluhng" eine groBe Prozessstabilist. Die Beluhngsintensitat wird automatisch an den aktuellen Bedarf angepasst. Dadurch werden vorhandene Beckenkapazitaten maximal genutzt, ein Ausbau der Adage kann in vielen Fallen herausgezogert werden (s. auch Abschnitt 8.3.2.2). Demgegenuber ist der betriebstechnische Aufwand fur die Unterhaltung der Prozessmessgerate je nach Mess- und Probenaufbereitungsverfahren relativ hoch. Zusatzlich sind die Kapitalkosten der erforderlichen Einrichtungen (Messgerate, Probenforderung sowie -aufbereitung, Messhaus usw.) zu beriicksichtigen. Die Wirtschaftlichkeit der genannten Regelungen ist aufgrund der Vielfalt der technischen Ausfuhrungsmoglichkeiten und sonstigen Randbedingungen stets im Einzelfall zu ermitteln. Da bezogen auf die Sauerstoffregelungim Wesentlichen die StorgroBen (z. B. NH4N oder N03-N) in einem bestimmten Bereich gehalten und damit geregelt werden, werden die vorgenannten Strategien in den folgenden Abschnitten kurz behandelt. 8.3.3

Regelungen auf Basis der Beluffung

Die Regelstrategien mit StorgroBenaufschaltung sind in der Fachliteratur ausfuhrlich beschrieben und werden daher im vorliegenden Abschnitt nur kurz diskutiert. Ausfuhrlicher wird auf die Redoxregelungeingegangen, da diese trotz ihrer prinzipiellen Einfachheit nach wie vor nur selten eingesetzt wird. 8.3.3.1

NH,-N- und NO,-N-Regelung

Die Grundzuge sowie die jeweiligen Vor- und Nachteile der beiden Regelstrategien gehen aus Tab. 8.3 hervor. Dartiber hinaus sind Kombinationen der NH4-N-und NO,-N-Regelung moglich, die entweder eine Minimierung der Gesamt-N-Ablauffrachtoder eine Maximierung der Beluftungszeit (z. B. bei Stabilisierungsanlagen) zum Ziel haben.

8.3.3.2

Regdung der Sauerstofiufuhr in Abhlngigkeit vom Redoxpotenzial

Als Ersatz einer direkten NH,-N- bzw. NO,-N-Messung ist es moglich, uber das Redoxpotenzial des Abwassers Ruckschlusse auf die Vorgange im Belebungsbecken zu ziehen. Das Redoxpotenzial ist ein Mag fiir die Reduktions- und Oxidationskrafteiner Lijsung. Diese wird im Abwasser weit gehend durch die Konzentration der NH4-sowie der NO,-Ionen, der 0,-Konzentration und den pH-Wert bestimmt. Gemessen als elektrische Spannung ist das Redoxpotenzial ein Mag fur das Verhdtnis reduzierter und oxidierter Abwasserinhaltsstoffe. Bei der Nitifikation verschiebt sich das Redoxpotenzial zum oxidierten Zustand, der gemessene Wert steigt. Bei der Denitrifikation nimmt der Anteil oxidierter Bestandteile (NO,) und demnach auch der Wert des Redoxpotenzials ab. Der Abschluss der Denitifikation ist bei einer grafischen Auftragung des Redoxpotenzials als deutlicher Knickpunkt (s. auch Abb.8.5) zu erkennen. In einem intermittierend belufteten Becken werden beim Auftreten dieses

I

213

8 Hinweise zur Betriebsoptimierung der Beliiftung Tab. 8.3 NH,-N- und NO,-N-Regelung (nach [lo])

NH,-N-Regelung

NOl-N-Regelung

Zielgroge

NH,-N- und NO,-N-Konzentrationen im Ablauf der Belebung

NO,-N-Konzentration im Ablauf der Belebung

Stellglied

Beluftungseinrichtung

Beluftungseinrichtung

Regel-/Messgroge NH,-N, O 2

NO,-N,

0 2

Messort

(Ablauf der) Nitrifikationszone

Belebung

Grundlage

1. Ausgangssignal des NH,-N-

1. Annahme, dass bei kleiner NOl-N-

Analysators regelt den 0,-Sollwert fur die Steuemng der Beluftungseinrichtung; 2. Ausgangssignal des NH,-N2. Analysators wird direkt zur Steuerung der Beliiftungseinrichtung eingesetzt, wobei die 0,-Messung der Min-/ Max-Kontrolle dient. Vorteile

-

-

-

Ablaufkonzentration auch die NH,-NAblaufkonzentration ausreichend klein wird Annahme (1)trifft dann zu, wenn die Nitrifikationsleistung ausreichend ist; dies setzt eine Mindest-Sauerstoffversorgung voraus.

Nitrifikation als Voraussetzung - Denitrifikation direkt uberwacht. fur Stickstoffelimination wird direkt uberwacht, Elimination des gewasserbelastenden NH,-N wird direkt uberwacht, ublicherweise weit gehende Denitrifikation moglich, Energieeinsparungen moglich.

Nuchteile: Nuchteil: - Nitrifikationsleistung nicht zuverlassig ohne unterlegte Zwangsbeluftung uberwacht, bei unzureichender BelufGefahr von zu langen unbeliifteten tung NH,-N-Spitzen moglich. Phasen -+ mogliche PO,-P-Rucklosung in der NK; - Denitrifikationsleistung nicht zuverlassig uberwacht, bei unzureichendem Angebot leicht abbaubaren Kohlenstoffs NO,-N-Spitzen moglich.

-

Knickpunktes daher die Belufbngseinrichbngen wieder in Betrieb genommen. Wenn das Redoxpotenzial einen gewissen ,,Plateau-Wert"erreicht hat, ab dem keine weitere Zunahme mehr erfolgt, ist die Nitrifikation abgeschlossen und die Beluftung kann fur die Denitrifikation abgeschaltet werden. Als Vorteile des Verfahrens sind folgende Aspekte zu nennen: Durch die einfache und preisgunstige Redoxsonde konnen die Anschaffung und der Betrieb aufwandiger Prozessanalysatoren entfallen. Damit wird die Redoxregelung auch fur kleine und mittlere Anlagen wirtschaftlich einsetzbar. Mithilfe der Redoxregelung konnen vorhandene Belebungsbecken bedarfsgerecht genutzt werden, wobei eine Minimiemng der Stickstoffablauffrachtund des Energiebedarfs moglich ist.

8.3 Optimierung des Reinigungsprozesses m i t h i b der Beliiftung

Demgegeniiber steht jedoch ein wichtiger Nachteil, der in vielen Fallen zu einem Scheitern dieses Verfahrens fiihrt: 0

Der Knickpunkt tritt nur beim Erreichen von N03-N-Wertenvon nahezu ,,null"a d . Dies ist jedoch nur dann moglich,wenn das Angebot an leicht abbaubarem Kohlenstoff ausreicht. Andemfalls ist kein eindeutiges Signal zum Wiedereinschalten der Beliiftungverfiigbar, wodurch eine gezielte Abstimmung der Denitrifikations-und Nitrifikationszeitraume nicht realisiert werden kann.

Vor diesem Hintergrund wurden Modifikationen der Redoxregelungvorgenommen, die auf Fuzzy-Algorithmen basieren. Ein Beispiel wird im folgenden Abschnitt beschrieben.

8.3.3.3

Steuerung / Regelung der Sauerstoffzufuhr mit Hilfe von Fuzzy-Algorithmen

Unter diesen Oberbegriff fallen MSR-Strategien, die auf einer Vielzahl gemessener Grogen basieren. Die Gemeinsamkeit dieser Strategien besteht darin, dass sie keine festen Schwellenwerte besitzen, oberhalb derer Steuer- oder Stellvorgange erfolgen. Vielmehr werden durch die Verarbeitung des zeitlichen Verlaufs der Messgrogen oder durch die Beriicksichtigung bestimmter Randbedingungen situationsabhangige Steuer- oder Stellbefehle generiert. In der Praxis sind diese Verfahren nach wie vor nur vereinzelt im Einsatz. Gewisse Verbreitung hat z. B. die auf der Basis von FuzzyAlgorithmen modifizierte Redoxregelung (u.a. [ll,121) erlangt, die im folgenden Abschnitt an einem praktischen Beispiel beschrieben wird. Crundlagen der "Fuzzy-basierenden" Redoxregelung

Wie oben dargestellt, besteht vielfach die Schwierigkeit, den Zeitpunkt einer abgeschlossenen Denitrifikation zu erkennen, wenn kein ausgepragter Knickpunkt in der Kurve des Redoxpotenzials vorliegt. Modifikationen des Verfahrens zielen daher darauf ab, aus der Bewertungder zeitlichen Verlaufe der prozessrelevantenMesswerte (u.a. c(O,),pH-Wert und Redoxpotenzial) einen geeigneten Ausschaltpunkt der Beluftung zu ermitteln. Beispielfar eine Redoxregelungnach dem System der sog. "Mischrampen-Steuerung"1121

Dieses Verfahren basiert auf einer PC-gestiitztenAuswertung beliebig wichtbarer Eingangswerte,die uber lineare Rampenfunktionen in Wirkungswerte umgerechnet werden. Als Eingangswerte konnen reale Messwerte, aber auch virtuelle Grogen - wie z. B. der Zeitraum seit dem Eintreten eines bestimmten Ereignisses - venvendet werden. Mehrere Eingangs- und die daraus resultierenden Wirkungswerte werden einer sog. ,,Mischung"zugeordnet, die ihrerseits die Steuerung der in der Belebung installierten Aggregate (Beliiftungswalzen und Riihnverke) beeinflusst. Dies geschieht dadurch, dass die Summe der Wirkungswerte innerhalb einer Mischung mit einem voreingestellten Schwellenwertverglichen wird, um eine ja-/NeinEntscheidung zur Steuerung der Stelleinrichtungen zu treffen. Der voreingestellte

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8 Hinweise zur Betriebsoptirnierung der Belufiung

Schwellenwert ist keine messtechnisch erfassbare GroBe, sondern ergibt sich - wie dargestellt - stets als virtueller Parameter, welcher von mehreren EingangsgroBen abhangt. In einer Steuerdatei werden die erforderlichen Mischungen zusammengefasst. Seit Ende 1998 wird die Mischrampensteuerung im grogtechnischen Betrieb auf der Klaranlage Kevelaer-Weeze des Niersverbands eingesetzt. Tabelle 8.4 vermittelt einen Uberblick uber die verfahrenstechnische Auslegung und wesentliche Betriebsdaten der Klaranlage. Bei der Inbetriebnahme der Redoxregelung zeigte es sich, dass die vorhandene Beluftungsleistung zu gering war. Wie Abb. 8.5 (oben)zeigt, wird zur Zeit einer hoheren Abwasserbelastung (ca. 12:OO- 1:30 Uhr) nicht der Soll-0,-Wert (1,smg/L) der in der Nitrifikationsphase aktiven 0,-Regelung erreicht. Dadurch steigt das Redoxpotenzial nicht auf den ublichen Wert von 100 mV an. Durch die verlangerte Nitrifikationszeit wird die verfugbare Denitrifikationsphase verktirzt, die Denitrifikation lauft nur unvollstandig ab. Nach einer Umriistung der Beluftungsaggregate auf eine hohere Motorleistung wird auch bei Spitzenbelastung der erforderliche Sauerstoffeintrag gewahrleistet (s. Abb. 8.5 , unten). Wie in der unteren Darstellung ersichtlich, tritt bei hoherer Belastung kein ausgepragter , , R e d o h i c k auf. Die Betriebsergebnisse zeigen jedoch, dass die Regelung aufgrund der oben dargestellten Fuzzy-Systematik in der Lage ist, einen optimalen Schaltpunkt zu generieren. Mit der modifizierten Redoxregelung ist es moglich, die Stickstoffubenvachungswertevon 10 mg/L NH4N und 18 mg/L Nanorgzuverlassig einzuhalten; gleichzeitig werden die N-Ablauffrachten erheblich reduziert (s. Tab. 8.4

Auslegungs- und Betriebsdaten der Klaranlage Kevelaer-Weeze

Anschlussgroge

Ca. 1200 kg BSB,/d, entspr. 20000 EW Q m ca. 5900 m 3 / d QM ca. 450 m3/h

Abwassercharakteristik

hausliches Abwasser (vonv. Mischsystem) Abwasser aus Kleinklaranlagen und abflusslosen Gruben

Verfahrenstechnischer Aufbau

Stufenrechen (Spaltweite = G mm), anoxisches/anaerobes Schlammkontaktbecken, zwei alternierendlintermittierend gesteuerte Umlaufbecken mit Mammutrotoren, zwei NK-Becken, Voreindicker, mesophile Schlammfaulung mit Nacheindickung, externe Schlammentwasserung

Dosierung Fallmittel (FeCl,)

mengenproportional: i. M. 3,9 g Fe/m3; p = 0,3

Zulaufkonz. biol. Stufe: gewichtete Mittelwerte (2000) CSB 471 mg/L BSB 134mg/L NH4-N 38,s mg/L TKN 52,3mg/L p, 8S mg/L

Ablaufkonzentrationen/Eliminationsgrad: gewichtete Mittelwerte (2000) CSB 31 mg/L > 93 % BSB 3 mg/L > 98% NH4-N 1,9 mg/L > 95 % C Nanorg 5,7 mg/L > 89 % (bez. TKN) 0,35 mg/L > 95 % Pges

Beluftungseinrichtung: 4 Walzenbelufter (L = 9 m, 0 = 1 m), Motorleistung: zunachst je 25/37 kW (polumschaltbar), nach Umbau 45 kW (starr)

8.3 Optimierung des Reinigungsprozesses m i t h i b der Belijftung

Tab. 8.5). Dariiber hinaus wird durch die Redoxregelungdie vermehrte biologische PElimination aktiviert. Dabei wurde der Fdlmittelverbrauch von 28392 (1998) auf 14 259 kg Fe/a (1999) halbiert. Ein wesentlicher Vorteil der auf der KA Kevelaer-Weezeinstallierten Redoxregelung besteht darin, dass fur die Anpassung an Storungen oder geanderte Randbedingungen, wie z. B. beim Ausfall von Walzenbeluftern undloder Riihnverken, aber auch bei langfristigen Anderungen der Betriebsbedingungen(Sommer-/Winterbetrieb), bei kurzfristigen Anderungen der Betriebsbedingungen (z. B. anhaltend hohe NH,N-Konzentrationen im Ablauf) usw. bereits vorkonfektionierte, optimierte Steuerdateien entwickelt wurden, die vom Betriebspersonal ohne Programmierkenntnisse aktiviert werden konnen.

100

5,O

50

E

o

p

-50

a

-100 -150 -200 -250

r

i

g

g

r

s

g

g

Zdt

200

7.0

150 100 50

E

p=

o -50 -100 150

-200

-250 Zeit Abb. 8.5

Redoxregelung aufder KA Kevelaer-Weezevor (oben) und nach Urnriistungder Beliiftung (unten)

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218

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8 Hinweise zur Betriebsoptirnierung der Belufiung Tab. 8.5

Leistungsfahigkeit der Redoxregelung auf der KA Kevelaer-Weeze

ZeitTaum

1.4.-30.9.1998

1.4.-30.9.1999

Ablautkonzentrationen NH,-N (Median) NH,-N (85%-Wert) Standardabweichung s(NH,-N)

mg/L 03 2.7 2,o

NO,-N (Median) NO,-N (85 %-Wert) Standardabweichung s(N0,-N)

2,l 3.7

NO,-N (Median) NO,-N (85%-Wert) Standardabweichung s(N0,-N)

0,3 0,4 0,1

C Nanorg)(Median) C Nanorg (85%-Wert)

32 6,s 2,3

Standardabweichung s(NanOrg) Ablauffrachten NH,-N NO,-N NO,-N C Nanorg (korrespondier. Proben)

1,4

kgld

(A = -12 14,8(A = -63 1,7(A = -43 24,4(A = -59 12,O

%) %) 'K) %)

8.4

Zusarnrnenfassung

Die Beluftungsstufe ist der wesentliche Verfahrensschritt bei der biologischen Abwasserreinigung und schafft damit die Voraussetzung fur die Einhaltung der Ubenvachungswerte. Gleichzeitig ist die Beluftung der groBte Einzelenergieverbraucher auf kommunalen Klaranlagen und somit wichtiger Einflussfaktor der Betriebskosten. Ihrer Optimierung kommt daher sowohl bezuglich der Sicherstellung eines zuverlassigen Betriebes als auch der Erreichung wirtschaftlicher Ziele eine zentrale Bedeutung zu. Wie die Praxis zeigt, wird dieser Bedeutung haufig jedoch nicht die erforderliche Aufmerksamkeit gewidmet, insbesondere in denjenigen Fallen, in denen die Beluftung vermeintlich ,,gut" funktioniert. Die vorstehenden Ausfuhrungen liefern sowohl Ansatzpunkte fur eine sichere Betriebsfuhrung als auch Hinweise zur Minimierung des Energieverbrauchs. Im Einzelnen werden dazu Kennzahlen als Hilfsmittel zur Analyse der 1st-Situation des Energieverbrauchs hergeleitet. Die MaBnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs beziehen sich zum einen auf eine Optimierung des Beluftungssystems an sich. Diese erstreckt sich vonviegend auf eine Anpassung der Sauerstoffzufuhr, bzw. der dafur eingesetzten Aggregate und Einrichtungen an den tatsachlichen Bedarf. Zum anderen werden Vorschlage zur Optimierung der Instandhaltung gegeben. Da bei der Druckluftbeluftung der Stoffiibergang maBgeblich vom Zustand der Beliiftungselemente abhangig ist, werden betriebliche MaBnahmen zur Vermeidung und Beseitigung auftretender Belage auf den Beluftungselementen aufgezeigt.

8.4 Zusammenfassung

Dartiber hinaus kann eine inefiziente Verfahrensfiihrung f i r einen erhohten Energieverbrauch verantwortlich sein. Daher werden verschiedene Moglichkeiten der Optimierung der Sauerstoffregelung anhand praktischer Beispiele dargestellt. Obwohl diesbezugliche Mafinahmen meist relativ einfach zu realisieren sind, ist der erzielbare Einspareffekt beim Stromverbrauch vergleichsweise hoch. Dazu kommen signifikante kistungssteigerungen beim Stickstoffabbau,die sich positiv auf die Abwasserabgabe auswirken. In diesem Zusammenhang hat sich vor allem die auf Fuzzy-Algorithmen basierende Redoxregelungauf kleinen und mittleren Anlagen in der betrieblichen Praxis gut bewhrt. Literatur

[l] ATV-DVWK (1999)Senkund des Strornverbrauchs auf Haranlagen - Leitfaden f i r das Betriebspersonal. ATV-Landesgruppe Baden-Wurtternberg,Wdhelm-Geiger-Plah 10, 70469 Stuttgart 1999. Thomas (1997)Aktuelle Betriebskosten von Abwasserbehandlungsanlagenmit [2]BOHN, weitergehender Reinigung. In: 52.DarmsEidter Seminar - Abwassertechnik - am 6. 11. 1997 in Darmstadt "Senkung der Betriebskosten von Abwasserbehandlungsanlagen",Hrsg.: Verein zur Fbrderung des Instituts WAR Wasserversorgung, Abwassertechnik, Abfalltechnik, Urnwelt- und Raumplanung der TU Darmstadt, Bd. 102,1997. Thomas (1998)Einflussfaktoren der Betriebskosten bei der weitergehenden Abwas[3]BOHN, serreinigung. In: 9. Gemeinsames Seminar - Abwassertechnik - .Einsparung von Kosten, Betriebsmittel,Energie und Personal auf Abwasserbehandlungsanlagen"am 16./17.9.1998in Weirnar, Hrsg.: Verein zur Forderung des Instituts WAR Wasserversorgung, Abwassertechnik, Abfalltechnik, Urnwelt- und Raumplanung der TU Darmstadt, Bd. 108,1998. [4]MULLER, Ernst, THOMMEN, Rolf, STAHLI, Peter (1994),Energie in ARA, Handbuch im Auftrag der Schweizer Bundesamter fiir Energiewirtschaft (BEW),Konjunkturfragen (BfK) und f i r Urnwelt, Wald und Landschaft (BUWAL). [5]REICHERT, Joachirn "Betriebsinfo 1999".interne Studie Niersverband (unveroffentlicht). [GI POPEL,H. J.,WAGNER, M. (1991)"Grundlagen von Beluftung und Sauerstoffeintrag", In: 1. Gerneinsames Abwassertechnisches Seminar 11./12.4. 1991 in Weimar "Beliiftungssysteme in der Abwassertechnik 1991 - Fortschritte und Perspektiven", Hrsg.: Verein zur Forderung des Instituts WAR Wasserversorgung, Abwassertechnik, Abfalltechnik, Urnweltund Raurnplanung der TU Darmstadt, Bd. 54, 1991. (71 ATV-DVWK (1997)ATV-M 209:,,Messungder Sauerstoffzufuhr von Beldtungseinrichtungen in Reinwasser und in belebtem Schlamm". Gesellschaft zur Fordetung der Abwassertechnik e.V. - GFA, Theodor-Heuss-Allee 17,53758 Hennef. August 1997. [8]REICHERT, Joachim (1997)"Messung der Sauerstoffzufuhr in belebtern Schlamrn mit Hilfe der Abluftmethode', ATV-Seminar 42/97am 18. 11. 97 in Koln, Hsg.: Abwassertechnische Vereinigung, e.V., Hennef. 191 ATV-DVWK (2000)ATV-DVWK-M 265: "Regelung der Sauerstoffzufuhr beim Belebungsverfahren". Gesellschaft zur Forderung der Abwassertechnik e.V. - GFA, Theodor-Heuss-Allee 17,53758 Hennef. Marz 2000. [lo]ATV-DVWK (1997)ATV-M 268 Jteuern und Regeln der N-Elimination beirn Belebungsverfahren". Gesellschaft zur Forderung der Abwassertechnik e.V. - GFA, Theodor-Heuss-Allee 17,53758 Hennef. Februar 1997. Ill] LNGANSKI, Gotz (2000)Fuzzy-Beluftungsregelungf i r Klarwerke. Umweltpraxis 12/2000, S.42-44. [12]DENKERT, Ralf (2001)Redoxregelunga d d e r Klaranlage Kevelaer-Weeze. Interne Studie f i r den Niersverband, unveroffentlicht.

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9

Dosieren in der kommunalen Abwasserreinigung Rainer Dulger und Christoph Meyer

Kommunale Abwasserreinigungist seit langem nicht mehr denkbar ohne die gezielte Zugabe von Chemikalien. Der wachsende Anspruch an die Reinigungsziele sowie die Notwendigkeit zur Prozessoptimierung machen eine genaue und reproduzierbare Dosierung notwendig. Abbildung 9.1 zeigt die gebrauchlichsten Dosieraufgaben der kommunalen Klartechnik

0

Dosierung von Metallsalzen zur Phosphatfallung Dosierung von Polyelektrolyten in der Schlammentwasserung Dosierung von Hilfsmitteln zur Desinfektion und Hartestabilisierung in Warmwasserkreislaufen der Faulung Dosierung von Entschaumern in die Belebungsstufe Dosierung von Kohlenstoffquellen in die Denitrifikation Dosierung von Chemikalien gegen Schwimmschlammbildug Dosierung von Desinfektionsprodukten im Klaranlagenablauf

Dosieranlagen lassen sich in folgende Komponenten gliedem: Chemikalienlager Dosierstation Steuerungsteil Abbildung 9.2 zeigt beispielhafte Losungen zu vier Dosieraufgaben im Uberblick Die kleinste Losung ist die Montage der Dosierstation auf dem Chemikalienlager (Abb.9.2A). Die Chemikalien werden in fliissiger Form als Kanistenvare, in Fassern oder Wechselgebinden (- 1 m3)angeliefert und per Hand oder mittels Fasspumpe in den Lagerbehalter umgefdt. In Pulverform angelieferte Chemikalien konnen per Handriihrer oder M o t o d n v e r k in vorgelegtes Wasser eingemischt werden. Die Dosierstation besteht aus einer Sauglanze mit Sieb, FuBventil, und Schwimmerschalter, der Dosierpumpe und der Dosierleitung bis hin zur Dosierstelle. Das

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9 Dosieren in der kommunalen Abwasserreinigung

Warmwasseraufbereitung

Abb. 9.1

1

-

)i -

i-eseruy __

~

7

L enlwasserler K'ar-'amm

Die gebrauchlichsten Dosieraufgaben der kornrnunalen Klartechnik

B) Abb. 9.2 Beispielhafte Losungen zu vier Dosieraufgaben im Uberblick. A) Dosierung von Hdfsrnitteln zur Desinfektion und Hartestabilisierung In Warrnwasserkrelslaufender Faulung; B) Dosierung von Metallsalzen zur Phosphatfallung, C) Dosierung von Polyelektrolytenin der Schlarnrnentwasserung, D) Dosierung von Chlordioxid zur Desinfektion irn Klaranlagenablauf

9 Dosieren in der kommunalcn Abwasserreinigung

Sieb verhindert den Eintritt von Sedimenten und Schwebstoffen in die Dosierleitung. Vor der Inbetriebnahme sollte das Innere jedes Chemikalienlagerssorgsam auf etwaige Produktions- oder Montagereste iiberpriifi werden. Sie konnen zu ungewiinscht haufigem Reinigen des Siebes oder gar zu Storungen der Dosierpumpe in der Anfahrphase fiihren. Im Zweifelsfd sollte das Lager vor IBN nass gereinigt werden. Dosierpumpen der Klarwerkstechnik sind in der Hauptsache Magnetdosierpumpen, Motordosierpumpen und Excenterschneckenpumpen. Moderne Magnetdosierpumpen (Dosierleistung bis 30 Lfh gegen 16 bar,ii) verarbeiten Fiillstandssignale der Gebinde selbsEtig im Sinne eines TrockenlaufN

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9 Dosieren in der kommunalen Abwasserreinigung

schutzes und Nachfdlalarms. Beide Alarme konnen im Rahmen des Sammelalarms als potentialfreier Kontakt oder uber BUS-Schnittstelle an ubergeordnete Kontrollsgsteme (Unterleitwarte, Leitwarte) weitergegeben werden. Abbildung 9.3. zeigt die Bedienteile zweier Magnetdosierpumpen. Im einfachsten Fall (Abb. 9.3 links) wird dem Benutzer lediglich die Moglichkeit zur manuellen Verstellung von Hublange und Hubfrequenz geboten. Magnetdosierpumpen sind jedoch in der Lage, dem Benutzer weit mehr Bedienmoglichkeiten zu bieten (Abb. 9.3 rechts). Hochleistungssteuerteileermoglichen: 0

0

digitalgenau einstellbare Hubfrequenz uber Tastatur und groges LCD-Display Anzahl der Fordermenge wahlweise in Hubelmin oder L/h einen parametrierbaren Hochstdruck eine Batchdosierung (Dosierung einer vorgewahlten Menge in Liter) eine Batchdosierung fur eine vorgewahlte Zeit externe Ansteuerung uber 4-20 mA, Kontakt oder Profibus Weiterleitung von Betriebsart, Hubfrequenz, aktueller Dosierleistung und Sammelalarm via Profibus

Die Dosierleitungbis hin zur Dosierstelle besteht in der Regel aus einem Uberstromventil, einem Druckhalteventil (teilweisebereits im Dosierkopf integriert) und einem Dosierventil (Abb. 9.4). Weitere Komponenten waren ein Pulsationsdampfer (gegebenenfalls in Kombination mit einem Pulsationsdampfer auf der Saugseite),ein Auslitergefal3, eine Ansaughilfe und ein Entluftungsventil (teilweise bereits im Dosierkopf integriert). Je nach Anwendung konnen Armaturen zur Spiilung von Saug- und Druckseite hilfreich sein. Bei der Spiilung ist zu beachten, dass Kolben- und Membrandosierpumpen nur von der Saug- zur Druckseite gespult werden konnen. Eine Spulung in umgekehrter Richtung ist aufgrund der Orientierung der Ruckschlagventile im Dosierkopf unmoglich. Abbildung 9.2B zeigt eine Anlage zur Dosierung von Metallsalzen zur Phosphatfallung. Der Chemikalientank ist doppelwandig ausgefiihrt und mit einer bauartgeprtiften Leckagesonde im Behaltermantel sowie einer bauartgeprtiften Uberfiillsicherung

Abb. 9.3

Bedienteile zweier Magnetdosierpumpen

9 Dosieren in der kommunalen Abwasserreinigung

Abb. 9.4

Kornponenten einer Dosierstation

gema%WHG versehen. Bei der Konzeption des Befiillschrankes sollten bereits im Projektstadium die Moglichkeiten des ortlichen Chemikalienlieferanten beriicksichtigt werden. Die Kupplungsfrage sowie Sicherheitsaspekte (Totmannschaltung, automatische Abschaltung der Befiillung bei Uberfiillung) mussen erortert werden. Die Dosierleitung wird haufig in Htillrohren verlegt, die eventuelle Leckgen einem Lehgeschacht (Tiefpunkt) zuleiten. Die Dosierstation wird gerne in einem (beheizten) Dosierschrank untergebracht. Motordosierpumpen bewdtigen die geforderten Dosiennengen. Abbildung 9.5 zeigt exemplarisch zwei Motordosierpumpen. Wie bei Magnetdosierpumpen wird auch hier im einfachsten Fall (Abb. 9.5 links) dem Benutzer lediglich die Moghchkeit zur manuellen Verstellung von Hublange und

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Abb. 9.5

Motordosierpurnpen

Hubfrequenz geboten. Motordosierpumpen sind heute jedoch in der Lage, dem Benutzer denselben Bedienungskomfortzur bieten, wie er zuvor bei den Hochleistungssteuerteilen von Magnetdosierpumpen beschrieben wurde. Abbildung 9.2C zeigt eine Polyelektrolytansetzstation. Polyelektrolyte werden in flussiger Form und als Pulver geliefert. Bei flussigen Polymeren ist zu beachten, dass die Wirkstoflkonzentration in der Regel nur 50 % betragt. Unterschatzt werden oft die Betriebskosten, die durch den Einkauf der Polymere entstehen. Sie uberschreiten schnell die Abschreibungskosten einer Polyelektrolytansetzstation. Daher ist der exakte Ansatz und die exakte Dosierung der Polyelektrolyte yon groBer wirtschaftlicher Bedeutung. Polyelektrolytansetzstationenwerden im einfachsten Fall manuell beschickt. Im Klanverksbetrieb sind jedoch vollautomatische Anlagen der Regelfall. Sie werden als 3-Kammerdurchlaufanlagen (Ansetzkammer, Reifekammer, Dosierkammer) und als 2-Kammerbatchanlagen (Pendelanlage:zwei Kammern nebeneinander, Doppelstockanlagen: zwei Kammern ubereinander) betrieben. Vorteil der 3-Kammerdurchlaufanlagen ist der geringe Platzbedarf. Vorteil der 2-Karnmerbatchanlagen ist ihre definierte Reifezeit. Zeitgemage Polyelektrolytansetzstationen werden mit mikroprozessorgesteuerten Bedienteilen (Abb. 9.6) geliefert, die alle wichtigen Funktionen im Uberblick zeigen: N

Betrieb Dosierrohrheizung Betrieb Trockengutdosierschnecke (Polymer in Pulverform)bzw. Konzentratpumpe (Flussigpolymer) Betriebszustand Zulaufwasser Betriebszustand Forderpumpe Stammlosung Betriebszustande der Riihnverke Pulvermangel bzw. Min-Fullstand Fliissigpolymer Mittels Klartextanzeige wird der Benutzer durch das Kalibriermenu von Trockengutdosierschneckebzw. Konzentratpumpe gefiihrt. Im Betrieb sollte die aktuelle Verdun-

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Abb. 9.6 Bedienteil einer Polyelektrolytansetzsation

nungskonzentration angezeigt werden, um die Optimierung des Entwasserungsbetriebes (Minimierung Polymerverbrauch, Maximierung Trockenriickstand) zu erleichtem. Die Steuerung sollte in der Lage sein, vorgewahlte Verdunnungskonzentrationen automatisch in die erforderliche Drehzahl der Dosierschnecke bzw. Forderleistung der Konzentratpumpe umzusetzen. In einer Nachverdunnung kann die Stammlosung (0,OS - 1 %) weiter verdiinnt werden. Abbildung 9.2D zeigt eine Adage zur Dosierung von Desinfektionsprodukten im Klaranlagenablauf. Chlordioxid ist ein Desinfektionschemikalmit einer deutlich hoheren Desinfektionsleistungd s Chlor. Die Desinfektionswirkungvon Chlordioxid ist in den fur Klaranlagenablaufe ublichen pH-Bereichen im Gegensatz zu Chlor vom pH-Wert unabhangig. Die typische Geruchsbildung von gechlortem Wasser tritt bei Chlordioxid nicht auf. Die bei Chlor beobachtete Bildung von Chloraminen tritt bei Chlordioxid nicht auf. Tab. 9.1

Desinfektionswirkung von Chlordioxid irn Klaranlagenablauf PH

7,4-7,8

Deauville. Frankreich

CSB NH4-N

240 OOO Einwohnergleichwerte 4,8 g/m3 C10 (Werte in KBE/100 ml)

Abl. St. Zulauf

% Red. 99.7 99,8 99,9

% Red. 97,7 98,O 98,6

Total coliforms Fecal coliforms Fecal Streptococci

5.105 5.105 1,6. lo5

10-50 mg/l 8 - 25 mg/l 6- 20 mg/l Ablauf i,7.103 i , i .lo3 1,4. 10'

Total coliforms Fecal coliforms Fecal Streptococci

PH CSB NH4-N Abf. St. Zulauf 4.8.105 7.9.104 2 , l . lo5

7-8 12 - 34 mg/l 0,2-4 mg/l 2-24 mg/l Ablauf i,i .lo4 i,6.103 2,9.103

Peschiera, Italien 500 OOO Einwohnergleichwerte 3g/m3 C ~ O ~ (Werte in KBE/100 ml)

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Chlordioxid kann nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden (Natriumchlorit/Hypochlorit, Natriumchlorit/Chlor, Natriumchlorit/Salzlsaure). Abbildung9.2D zeigt eine Adage, die nach dem Natriumchlorit/Salzsaure-Verfahrenarbeitet. Bei kleinen Abnahmemengen wird Chlordioxid aus Natriumchlorit ( 7 5 %) und Salzsaure (9 %) durch Proportionaldosierunghergestellt. Grogere Abnahmemengen werden in Anlagen produziert, die mit Natriumchlorit (25 %) und Salzsaure (30%) arbeiten (Abb.9.2D). Eine dritte Dosierpumpe fuhrt noch vor dem Reaktor Verdiinnungswasser zu, um die Entstehung eines explosionsfahigen Chlordioxidgemisches zu verhindern. Tabelle 9.1 zeigt die Desinfektionswirkungvon Chlordioxid am Beispiel zweier italienischer Klaranlagenablaufe. R e d h o n e n von mehr als einer Zehnerpotenz konnten f i r E. COLI,coliforme Keime und Fakalstreptococcen erzielt werden. Zusammenfissung

Kommunale Abwasserbehandlung nach dem Stand der Technik erfordert die Dosierung unterschiedlichster Chemikalien. Der Hauptprozess Biologische Abwasserbehandlung wird ebenso unterstiitzt wie die wichtigen Hilfsprozesse Faulung und Entwasserung. Efizientes Fallen, Entschaurnen, Agglomerieren, Hartestabilisieren und Desinfizieren werden durch zeitgemasse Dosiertechnik ermoglicht. Viele Dosieraggregate zeigen heute auch vor Ort maggebliche ProzeBgroBen wie Dosiermengen und eingestellte Konzentrationen. Dies ermoglicht dem Betreiber eine efiziente Optimierung seiner Prozesse.

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10 Anforderungen an die Maschinentechnik Uwe Steinkonig

Die maschinentechnischen Einrichtungen einer Klaranlagen sind vielerlei Beanspruchungen und Belastungszustfinden unterworfen. Diese Anforderungen miissen bereits in einem fxfihen Stadium der Anlagenplanung ermittelt, beriicksichtigt und gegeneinander abgewogen werden (s. z.B. Abb. 10.1).Dies ist meist nur mit einer iterativen Lijsungsfindungmoglich, da aus den einzelnen Belastungszust2ndenteilweise gegenllufige Forderungen resultieren. Es ist deshalb Aufgabe der planerischen Tatigkeit ein Optimum aus Betriebssicherheit, Wirtschaftlichkeit und Bedienbarkeit zu finden.

Betriebstemperatur

I

Wirtschafllichkeit

WerkstoffzBhigkeit

I

Werkstoffbeanspruchung

Abb. 10.1 Allgemeine Wechselbeziehungen in der Rohrleitungsplanung

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70 Anforderungen an die Maschinentechnik

10.1

Allgerneine Arten der Beanspruchung

Die hydraulischen Lasten, die mit der maschinentechnischen Ausstattung bewaltigt werden mussen, sind mittels der bekannten Berechnungsverfahren und auf Grundlage evtl. vorhandener Betriebstagebucher zu ermitteln. Die Auslegung erfolgt schlieglich unter Beriicksichtigung der maximalen und minimalen Zuflusse und deren zeitlichen Schwankungen im Tages- und Jahresdurchschnitt. Aus den ermittelten Schmutzfrachten lassen sich die spezifischen verfahrenstechnischen Vorgaben fur eine Anlage herleiten. Hieraus folgen die erforderlichen Verknupfungen einzelner Anlagenteile zur Realisierung der gewahlten Prozessfuhrung. Ebenso folgt aus der verfahrenstechnischen Betrachtung der Bedarf an notwendigen Betriebsmedien wie Druckluft fur die Belebungsbecken und Chemikalien zur Unterstiitzung betrieblicher Prozesse. Die hydraulischen und verfahrenstechnischen Vorgaben bilden den Rahmen fur die Auslegungsparameterder Maschinentechnikin Hinblick auf Betriebsdruck und Temperatur sowie Korrosions- und Abrasionsbestandigkeit. Die beiden letztgenannten Belastungen machen es erforderlich ein hohes Augenmerk auf die Zusammensetzung des jeweiligen Fordermediums zu richten. Die genaue Kenntnis der korrosiven Bestandteile, von mitgefuhrten mineralischen Stoffen und sonstigen storenden Anteilen im Fordermedium reduziert die Gefahr deutlich, dass es im spateren Anlagenbetrieb zu Unterbrechungen, Ausfallen oder gar Schadigungen kommt. Den internen Anforderungen an die maschinentechnischen Ausriistungen sind auch augere Beanspruchungen zuzuaddieren. Diese konnen natiirlichen Ursprungs sein wie zum Beispiel die Sonneneinstrahlung oder Schnee- und Windlasten. Auch die Zusammensetzung der umgebenden Atmosphare oder Raumluft bzw. die chemische und mineralische Zusammensetzung des Erdreiches konnen zu korrosiven Zusatzbelastungen fiihren. Weiterhin konnen diese augeren Beanspruchungen aus der Wechselwirkung mit anderen technischen Einrichtungen herriihren. Als Beispiel seien hier die Verkehrslasten auf erdverlegten Rohren und Streustrome von Hochspannungsleitungen genannt. Parallel zu den genannten Belastungen sind stets die Forderungen aus Richtlinien, Verordnungen und Gesetzen zu beachten. Neben den Vorgaben fur die rein technische Ausfuhrung und verfahrenstechnische Auslegung der Anlage, wie in den einschlagigen EN/DIN-Blattern, den Technischen Richtlinien Rohrleitungsbau (TRR), der Druckgeraterichtlinie (DRGL) und den ATV-Merkblattern festgehalten, zielt eine Vielzahl der zu beachtenden Normen und Gesetze auf die arbeits- und sicherheitstechnischen Belange ab. Die Unfallverhutungsvorschriften,die Vorschriften der Berufsgenossenschaften sowie der Unfallkassen, die Arbeitsstattenverordnung, die DVGW-Richtlinien und Forderungen aus dem Explosionsschutz (Atex) sind hier als Beispiel zu nennen. Weitere Rahmenbedingungen fur die Ausriistung und Ausfiihmng einer Anlagen werden u. a. in dem Bundesirnmissionsschutzgesetz (BimSch),dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) wie auch den Technischen Anleitungen (TA l r m , TA Luft) gestellt.

10.2 Besonderheiten der Fordenncdien

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10.2 bonderheiten der FOrderrnedien

Die Zulaufbedingungen zu einer Anlage konnen nicht als konstant angenommen werden. Vielmehr sind Schwankungen in Zulaufmenge und Schmutzfracht bei der Planung und Auslegung der maschinentechnischen Einrichtungen zu beriicksichtigen und ein ausreichendes M& an Flexibilitiit bei der Betriebsfiihrung zu ermoglichen. Mit den vorgenannten Schwankungen geht meist auch eine Anderung der Fordermedien einher. 10.2.1 Fluide FOrderrnedien

Besonders aaallig ist dies beim Rohabwasser,dem unmittelbaren Zulauf zur Anlage aus dem Kanalnetz. Betrachtet man allein den Anteil an mineralischen Stoffen wie Sand und Steine im Rohabwasser, so kann dieser von geringen Mengen wahrend langeren Regenperioden auch in hohen Mengen die Anlage belasten. In solchen Fallen spricht man von SpiilstoBen, bei denen Kanalsedimente nach langer Trockenheit durch das nachst folgende Regenereignis zur Anlage gelangen und dort z u m plotzlichen Versagen von Pumpen und Rohrleitungen fiihren konnen. Versurkt wird diese Gefahr, wenn an das Kanalnetz zur Anlage viele unversiegelte Flachen angeschlossen sind. Bei einem hohen Anteil an mineralischen Stoffen im Rohabwasser ist deshalb die Vorschaltung eines Gerollfanges vor den Anlagenzulauf sinnvoll. Wie allein das Beispiel des Sandanteilesam Rohabwasser zeigt, ist es schwierig eine allgemeingultige Einteilung und Charakterisierung der Fordermedien vorzunehmen (s. Tab. 10.1).In Anlehnung an die DIN 4045 kann eine abschatzende Klassifizierung

Schmutz- Kommunales hauslich wasser Abwasser gewerblich industrielles Abwasser landwirtschaftl. Abwasser

Primarschlamm SekundSrschlamm Eindickerschlamm stabilisierter Schlamm entwasserter Schlamm getrockneter Schlamm

0- 2 0-2

mittel

mittel

-

grog

grog

-

0-3 0- 3 0-3 0- 3

-

niedrig

klein

-

0-2

grog

grog

0-5

2-4 2-4 3-6

niedrig niedrig niedrig niedrip niedrig

klein klein klein klein klein klein

2-6 2-3,s 2-5

-

5-10

-

-

-

0

niedrig

20-30 30-50

0-2

232

I

70 Anforderungen an die Maschinentechnik

unternommen werden, die jedoch in Hinblick auf die spezifischen Zulaufbedingungen, das angeschlossenen Kanahetz und die gewahlte Verfahrenstechnik fur jede Anlage neu zu uberprtifen sind. 10.2.2

Casarmige Fardermedien

Neben den Schmutzwasserarten und den Schlammen werden auf Anlagen noch weitere Medien durch maschinentechnische Einrichtungen gefordert. Als erstes sind die gasformigen Fordermedien zu nennen. Allen voran die Belebungsluft zur Versorgung der Bakterien mit Atmungs-Sauerstoff. Bei Anlagen, die nahe einer Wohnbebauung liegen, kommt als weiteres gasformiges Medium die verfahrenstechnische Abluft hinzu. Beide Medien weisen ebenso wie das Schmutzwasser verschiedene Inhaltsstoffe a d , deren Einflusse auf den Anlagenbetriebund die Auslegung der Fordersysteme zu beachten sind. Allein die Abfiihrung von Kondensatwassern aus den Luftfordersystemen stellt eine hohe Zusatzaufwendung dar. Diese durch die Zustandsanderungen der Luft ausfallenden Wasser sind kontinuierlich an den Tiefpunkten des Rohrsystems abzufuhren, um negative Betriebseinflusse durch Querschnittverengung oder Vereisung zu verhindern. Sollten sich in der Forderluft korrosive Bestandteile befinden, so ist die Abfuhrung von Kondensaten um so wichtiger, da es in den Wassern zu Aufkonzentrationen kommen kann, die zu Schadigungen fuhren. Bei bestimmten Ablufterfassungen und im besonderen MaBe bei der Faulgasverwertung spielen sicherheitsrelevante Forderungen aus dem Explosionsschutz eine groRe Rolle bei der Gestaltung der Fordersysterne. Dies bezieht sich im wesentlichen auf die Dichtheit der Fordersysteme zur Vermeidung einer explosionsfahigenAtmosphare sowie die Vermeidung elektrischer und mechanischer Zundquellen. 10.2.3

Sonstige Fardermedien

Zur Unterstiitzung der verfahrenstechnischen oder betrieblichen Ablaufe auf einer Anlage werden Leitungssysteme fur Chemikalien und Betriebswasser aufgebaut. Im Vergleich zu den vorgenannten Medien sind diese jedoch homogener in ihrer Zusammensetzung. Fur den Einsatz von Chemikalien wie zum Beispiel Eisen-IIIChlorid und Natriumaluminat sind bei der Planung die Bestimmungen des WHG und das korrosive Verhalten der Chemikalien ausschlaggebend.Doppelwandige Rohrleitungen, Kunststoffe als Grundwerkstoff sowie Sicherheitseinrichtungen zum Schutz von Personal und Umwelt stellen die wesentlichen Komponenten der technischen Ausstattung dar. Bei sehr langen Rohrstrecken mit kleinem Nenndurchmesser kann eine zusatzliche Rohrbegleitheizungerforderlichwerden, um Ausflockungen zu vermeiden. Die Wasserleitungen unterliegen den gangigen Richtlinien und Verlegevorschriften. Obligatorisch ist jedoch eine sichere Abtrennung des offentlichen Trinkwassersystems auf einer Anlage vom Rohrsystem aufbereiteter Regen-, Brunnen- oder Ab-

10.3 Hinweise zum Rohdeitungsbau

I

233

laufivasser der Anlage. Diese Wasser sind vor der Einspeisung in das Rohrsystem zu filtern und einer Entkeimung zu unterziehen. Letzteres geschieht in den meisten Fallen durch eine UV-Bestrahlung.

10.3

Hinweise zum Rohrleitungsbau

Ausschlaggebend f i r die Planung und Gestaltung von Rohrleitungen ist die Wahl des passenden Werkstoffes in Hinblick auf die zu erwartenden mechanischen, thermischen und korrosiven Belastungen. Parallel dazu ist dessen Verfiigbarkeit am Markt zu beurteilen,um schlussendlich eine Betrachtungder Wirtschaftlichkeit anzustellen. Da die Rohrleitungen nur Teil einer zu planenden Klaranlage sind und mit den anderen Gewerken sowie mit angestrebten Standardisierungen der eingesetzten Technik harmonisieren sollen, kann die Entscheidung iiber Werkstoffe zu einem iterativen Prozess werden. Dies Wrt meist dazu, dass eine bestimmte Rohrleitung abschnittsweise in unterschiedlichen Rohrwerkstoffenausgefiihrt wird. Ebenso kann es sinnvoll sein alle Rohrleitungen in einem Standardwerkstoff zu fertigen, um so Vorteile beim Einkauf und der Baudurchfiihrung zu erzielen. 10.3.1

Vergleich verschiedener Werkstofk

Insbesondere bei den metallischen Werkstoffen werden fur die unterschiedlichsten Anwendungsfalle zahlreiche Stahlsorten zur Verfiigung gestellt. Ahnliches gilt im eingeschrankten M&e f i r die Kunststoffe. In Tab. 10.2 werden deshalb beispielhaft Stahl- und Kunststoffsorten ausgewahlt und ihre charakteristischen Kennwerte miteinander verglichen. 10.3.1.1

Mechanische Kennwerte

Die mechanischen Kennwerte stellen in der Reihenfolge ihrer Auflistung steigende Beanspruchungen dar. W2hrend Zug- und Biegefestigkeit die Widerstandsfhigkeit gegen einachsige, homogene und inhomogene Spannungsbeanspruchungbeschreiben, geht die Kerbschlagarbeitbzw. -zhigkeit von einer plotzlich auftretenden, mehrachsigen Spannungsbelastung aus. Auf Grund der unterschiedhchen Versuchsparameter bei der Bestimmung der Werkstoffdaten ist nur ein qualitativer Vergleich der Zahlenwerte sinnvoll. Es ist jedoch zu erkennen, dass die metallischen Werkstoffe deutlich hohere Widerstandswerte gegen mechanische Verformungen aufweisen als Kunststoffe. Die niedrigeren EModuln als Mag der Verformbarkeit unterstreichen diese Eigenschaft der Kunststoffe zusatzlich. Lediglich GFK weist unter den Kunststoffen hohere Festigkeitswerte a d . Ursache hierfiir sind die Glasfasern, die mit dem Epoxidharz verarbeitet werden.

234

I

10 Anforderungen an die Maschinentechnik

10.3.1.2 Thermische Kennwerte

Das Bestreben sich bei erhohten Umgebungstemperaturen auszudehnen ist bei Kunststoffen deutlich zu erkennen. Bei GFK wird dieser Effekt wiederum durch die eingearbeiteten Glasfasern gehemmt. Als Mag fur dieses Verhalten ist der Warmeausdehnungskoeffizient zu sehen, der bei den aufgefuhrten Stahlen um den Faktor 10 geringer ist. Auch die Vicat-Temperaturen als Mag der Formstabilitat liegen bei Kunststoffen sehr niedrig, so dass bereits bei Temperaturen unter 100 "C mit einem Erweichen der Werkstoffe zu rechnen ist. Als Vergleichstemperatur wurde fur die Stahle der Grenzwert von rund 500 "C geMhlt. Ab dieser Temperatur ist von einem Absinken der Festigkeitswerte um rund 50 % auszugehen. Als negativer Nebeneffekt stellt sich bei Edelstahlen ab Temperaturen von 400-500 "C eine Anfalligkeit gegen interkristdine Korrosion ein. Als Hinweis auf die Beurteilung eines Rohrwerkstoffesin Zusammenhang mit dem Gesamtkonzept einer zu planenden Klaranlage ist die Einteilung nach Brandklassen zu verstehen. Wahrend Stahl zu den nicht brennbaren Stoffen zahlt, gelten Rohre aus Kunststoff als entflammbar und sind in die Berechnung der Brandlast mit einzubeziehen. Daraus konnen sich Mehraufwendungen fur Brandschottung, Entrauchungseinrichtungen und Schutzverkleidungen ergeben.

Tab. 10.2

Werkstoff

Cegenij berstellung von gangigen Rohrleitungswerkstoffen -

Kennwerte

Werkstoff

1.0037

1.4541

Bezeichnung

St. 37

X G CrNiTi X G CrNi

27

196 x 103 7.95 500-730 200 85

MoTi 17-12-2 196 x 103 7.95 500-730 210 85

12 x 10-6

15.8 x

15.8 x

18-10 E-Modul Dichte Zugfestigkeit Biegefestigkeit Kerbschlagarbeit bzw. -zahigkeit Warmeausdehnungskoefizient Formstabilitat bis ... K( C) Brandklasse

1.4571

210 x 10' 8,O 360-510

HDPE

Polyathylen, Polyvinylhohe Dichte chlorid

800 0,95 24 44 15

A

A

3000 1,41 50 110 4

GFK Clasfaser. verstarktes Epoxidharz 12000 (Zug)

1S 1GO 40 80

2,s x 10-5

> 773 (500) > 773 (500) > 773 (500) 363 (90) A

PVC, hart

B2

351 (78)

373 (100)

B1

Bl

E-Modul in N/mm2 Dichte in g/mm2 Zugfestigkeit in N/mm2. fur Stahl nach DIN 50145,fiir Kunststoff nach DIN 53455 Biegefestigkeit in N/mm2, fur Stahl nach DIN, fur Kunststoff nach DIN 53452 Kerbschlagarbeit fiir Stahl in J nach DIN 50115 ( I S 0 V), eahigkeit fur Kunststoffin J/cm2nach DIN 53453 Warmeausdehnungskoefzient in 1 / K Vicat-Enveichungstemperatur k r Kunststoffe nach DIN 53460 Brandklasse (Entflammbarkeit) nach DIN 4102

70.3 Hinweise zum Rohdeitungsbou 10.3.2 Einsatzbereiche

Der einschrankenste Faktor fur den Einsatz von Kunststoffen ist deren temperaturabhangiges Verhalten. Warme oder gar heige Fordermedien sollten deshalb nicht durch Kunststoffleitungentransportiert werden. In Bereichen mit erhohten Raumtemperaturen oder direkter Sonneneinstrahlung ist der Einsatz von Kunststoffen kritisch zu priifen. Beriicksichtigtman die mechanischen Belastungen,so sind Stahl-und Kunststoffrohre in den unteren Nenndruckbereichen gleichwertig. Im Bereich von 1640 bar Nenndruck sind Kunststoffrohre nur bedingt, dariiber hinaus nicht mehr einsetzbar. Zu beachten ist auch, dass die werkstoffseitigen Reserven gegen augergewohnliche Belastungen bei St&len hoher zu bewerten sind. Dies gilt besonders, wenn bereits eine mechanische Vorschadigung eingetreten ist. Eine Bevorzugung fiir Kunststoffe als Rohnverkstoff ergibt sich bei erhohten Forderung an die Korrosionsbestandigkeit.

Werkstohogene Kosten

Die Kostenvorkalkulation fur Rohrleitungen darf sich nicht allein auf den Beschaffungskosten fiir das Rohrmaterial beziehen. Die aus der Festlegung des Werkstoffes resultierenden Nebenleistungen und Auswirkungen auf die anderen Gewerke sind ebenfalls abzuschatzen. In den reinen Beschafhngskosten sind Kunststoffe die eindeutig preisgiinstigste Werkstofiariante. Mit zunehmender Anzahl von Bogen, Ubergangsstiicken auf andere Werkstoffe, Mauerdurchfuhrungen und sonstige Formstiicken wird dieser Vorteil besonders bei grogen Nennweiten stetig geringer. Durch die gegenuber Sthlen geringe Formstabilitt dieser Werkstoffe ist eine erhohte Menge an Rohrhalterungen und elastischen Rohreinbauten zusatzlich vorzusehen. Aus dem gleichen Grunde sind die augeren AbmaBe und Wandsttirken besonders bei HDPE deutlich groser als bei Stahlen, was zu erhohtem Platzbedarf und damit bauseitigem Mehraufwand fiihren kann. Fiir erdverlegte Rohrleitungen sind Kunststoffe zu bevorzugen, da wegen des geringen Gewichtes und einfacheren Fugearbeiten kiirzere Verlegezeiten moglich sind. Das nachtragliche Ummanteln der Rohre gegen Korrosionseinflusse aus dem Erdreich kann entfallen. Einschrankende Faktoren sind in diesem Zusammenhang die augeren Druckkrafte auf die Rohre durch Verkehrslasten und Erdreich. Unter den metallischen Werkstoffen ist der verzinkte Baustahl St. 37 am preisgiinstigsten. Die giinstige Beschaffung geht jedoch mit einer niedrigen Korrosionsbesth digkeit einher. Nachbesserungen der Passgenauigkeit,verursacht durch thermischen Verzug beim Feuerverzinken, und Ausbesserung der Zinkschichten sind als zusatzliche Aufwendungen zu beriicksichtigen. Der nachfolgende betriebliche Aufwand fur Reparaturen oder Anstricharbeiten sollte mit bedacht werden. Edelstahle sind von den Investitionskostenher gesehen am teuersten und stellen in Verarbeitungsqualitt und Fachwissen des Montagepersonals die hijchsten Anforderungen. Die Korrosionsbestndigkeit dieser Stahlsorten liegt jedoch nahe bei den

I

235

236

I

10 Anforderungen an die Maschinentechnik

Kunststoffen bei gleichzeitig hoher thermischer und mechanischer Stabilitat. Auf Grund dessen kann bei der Wandst$irkenberechnung fur die Edelstahlrohre der Zuschlagsfaktor fur Abtrag durch Korrosion entfallen. In Hinblick auf den spateren Betrieb sind bei Edelstahl keine Folgekosten fur die Erneuerung von adenliegenden Schutzanstrichen oder Ausbesserungen der Zinkbeschichtung zu beriicksichtigen. Der Wert der Rohrrauhigkeit bei Edelstahlprodukten nimmt uber die Betriebsjahre nur unwesentlich zu. Bei St. 37 kann dieser jedoch bis auf einen Wert von 2,O mm ansteigen, was neben einem erhohten Reinigungsaufkand fur das Rohrsystem wegen vermehrter Sedimentation auch zu Verschlechterungen der Forderleistung angeschlossener Pumpen fuhren kann. s=

S

Da

P K S V

C1

c2

Da.p 20. K / S . v

+ p + c1 + c,

Wandstarke in mm AuBendurchmesser des zylindrischen Rohres in mm hochstzulassiger Betriebsdruck in bar Festigkeitskennwert in N/mm2,gemaB AD-Merkblatt W2/1.90 gilt fur die Berechnung die 1%-Dehngrenze Sicherheitsbeiwert = 1,s (gemaB AD - Merkblatt BO) SchweiBnahtfaktor= 0,8,ohne Hoherbewertungspriifung = l , O , mit Priifung Wanddickenzuschlag zum Ausgleich von Starkentoleranzen. = 0 mm, fur austenitische Stahle (gemaB AD - Merkblatt BO) Zuschlag fur Korrosion und Abnutzung, bei austenitischen Stahlen meist = 0 mm.

Durch die geringere Wandstarke und die etwas geringere spezifische Dichte ergeben sich bei der Montage weitere Vorteile von Edelstahlrohren. Dies kann auch bedeuten, daB wegen der geringeren Wandstarke weniger SchweiBnahtlagen notwendig sind, was den Zeit- und Kostenaufwand weiter verringert. Auch das mehrfache Ausbauen von Rohrstiicken fur Anpassarbeiten und Transport zum Feuerverzinkenkonnen entfallen. Gegenuber gleichwertigen Kunststoffrohren ist der erforderliche Platzbedarf fur die Installation besonders bei groBeren Nennweiten geringer. Bei einer Lebensdauerbetrachtung spricht weiterhin ein okologischer Aspekt fur Rohrleitungen aus Edelstahl, da diese als hochwertiges Altmetall voll recyclingfahig sind.

10.3.3

Hinweise zu Auslegung und Trassenfiihrung

Die erforderliche Wandstarke von Rohren lasst sich unter Beriicksichtigung von Betriebsdruck, -temperatur und Werkstoffkennwerten einfach bestimmen. Bei der Berechnung einer Rohrleitung als Ganzes sind neben den statischen ebenso die dynamischen Betriebszustande zu einzukalkulieren.

70.3 Hinweise zum Rohrleitungbau I 2 3 7

In der statischen Berechnungen sind neben der Belastung durch das Eigengewicht der gefiillten Rohrleitung und auftretender Kriimmerkrafte, in gleichem MaBe Einzelbelastungen und Drehmomente durch Einbauten wie zum Beispiel groBe Schieber zu beachten. Aus diesen Betrachtungen folgt die Dimensionierung der Rohrhalterungen und deren Stiitnveiten zueinander. AuBerhalb von Gebauden rniissen Sicherheiten f i r Schnee- und Windlasten zuaddiert werden, ebenso wie Erddruck und Verkehrslasten bei unterirdischen Rohrleitungen. Hierbei ist auch zu beachten, dass eine Rohrleitung irn entleerten Zustand oder wenn durch diese Medien geringer Dichte transportiert werden, bei steigendem Grundwasserspiegel aufschwirnmen und brechen kann. Die Notwendigkeit von Betonurnmantelungen und -widerlagern ist durch diese Betrachtungen zu bestimmen. Fur den Sicherheitsnachweis gegeniiber dynamischen Belastungen sind umfangreiche Berechnungsmethoden heranzuziehen, die spezielle EDV-Programme erforderlich machen. Als Beispiel ist die Druckstogberechnung zu nennen, mit der die Sicherheit einer Rohrleitung gegeniiber plotzlichen Geschwindigkeitsinderungen im Forderstrom iiberpriift wird, wie sie bei schlagartigem SchlieBen einer Armatur oder plotzlichern Pumpenstillstand auftreten. Eine Berechnung sollte stets in Darstellung der ortlichen und zeitlichen Veranderungen der Druckes bis zum Abklingen der Schwankungen erfolgen, so dass die zahlenmagige und ortliche Festlegung von Sicherheitseinrichtungen wie Be- und Entliiftungsventilen moglich wird. Eine MoBe Berechnung des sogenannten Joukowsky-Stonesist nur ftir eine erste NSherung ausreichend. Die Belastung einer Rohrleitung durch Schwingungen lasst sich ebenfalls durch komplexe Berechnungen vorauskalkulieren. Auf Grund der Vielzahl von Schwingungen, die durch Forderaggregateund deren Betriebszusunde sowie durch inhomogene Fordermedien verursacht werden, ist es nahezu unmoglich eine Rohrleitung schwingungsfrei zu gestalten. Vielmehr ist anzustreben die sogenannte Resonanz der Rohrleitung zu vermeiden, da diese schlimmstenfalls die mechanische Schadigung der Rohrleitung nach sich zieht. Weiterhin kann die Ubertragung hochfrequenter Schwingungen durch Rohrleitungen zu Eirmbelastungen fiihren, die die zulassigen Crenzwerte der Arbeitschutzrichtlinien oder der TA Eirm iiberschreiten. Grundsatzlich lassen sich auftretende Schwingungen durch den Einbau elastischer Elemente wie Kornpensatoren reduzieren. Zusatzlich kann die Entstehung von Schwingungen und Ausbreitung von Schall durch das Verstimmen der Rohrleitung vermindert werden. Dies bedeutet, dass zum Beispiel durch asymmetrische Anordnung von Rohrhalterungen das Entstehen einer Resonanzschwingungunterdriickt wird. Schallemissionen, die durch das stromende Fordermedium selbst erzeugt werden, sind generell nicht zu vermeiden. Das elastische Lagern von Rohrleitungen und Forderaggregaten zur Minderung der Korperschallubertragungist heute Stand der Technik und als obligatorisch anzusehen. Allgemein kann gesagt werden, dass Kunststoffrohre eine dampfendere Wirkung auf die Schalliibertragung haben als Stahlrohre. Verzinkte Stahlrohre sind im Vergleich zu Edelstahl ebenfalls gnstiger zu bewerten. In diesern Falle ist jedoch nicht eine besondere Werkstoffeigenschaft ausschlaggebend, sondern vielmehr die groBeren Rohrmassen, die bei verzinktem Baustahl wegen der Korrosionszuschlage zu den

238

I

10 Anjorderungen an die Maschinentechnik

Wandstarken gegeben sind. Besonders beim Ersatz von bestehenden Rohrleitungen durch neue Edelstahlrohre ist diesem Umstand Rechnung zu tragen. Gegebenenfalls konnen zusatzliche schwingungsdampfende MaBnahmen notwendig werden.

10.3.4

Konstruktive Hinweise

Der Rohrleitungsbauals der flexiblere Teil der Anlagenplanung wird meist auf Grundlage von vorgegebenen Gebaudegrundrissen und Apparateaufstellungen durchgefuhrt. Schnittstellen sind hierbei meist die Anbindepunkte fur Rohrhalterungen. Mauerdurchfiihrungen, die Lage von Maschinenstutzen und die dort zulassigen Stutzenkrafte. Die Rohrleitungsfikhrung zwischen zwei zu verbindenden Stellen einer Klaranlage sollte stets auf kurzestem Wege unter Venvendung moglichst weniger Formstiicke zur Minimierung der Stromungswiderstandeerfolgen. Neben dieser Pramisse hat die Gestaltung einer Rohrleitung jedoch auch Rucksicht auf Verlegevorschriften der Rohrlieferanten, den Raumbedarf anderer Einrichtungen und die spatere Bedienbarkeit durch das Betriebspersonal zu nehmen. Besonders die bedienungsfreundliche Gestaltung bestimmt den spateren Betrieb der Klaranlage. So sind an Leitungen, vor allem wenn diese feststoffhaltige Medien fuhren, Stutzen zum Spulen, Beluften und Entleeren in ausreichender Zahl vorzusehen. Messgerate und Armaturen sind in unmittelbarer Bedienhohe anzuordnen. Falls dies nicht moglich ist, sind Hilfseinrichtungen wir Zugketten, elektrische Antriebe oder Bedienpodeste vorzusehen. Die Trassierung von Rohrleitungen ist so zu wahlen, dass Durchgangshohen, Mindestbreiten von Betriebswegen und Fahrbereiche von Hebezeugen nicht eingeschrankt werden. Elektrische Einrichtungen wie Kabelpritschen sind generell oberhalb der Rohrleitungen anzuordnen, um bei Leckagen keine Kurzschlusse zu verursachen. Auf Grund der Biegeradien von elektrischen Kabeln sind seitens des Rohrleitungsbaus zusatzliche Freiraume zu gewahren.

10.4

Werkstoftkundliche Betrachtungen

Fur die Errichtung von Rohrleitungssystemen stehen eine Vielzahl von Werkstoffen zur Verfugung, die man nach vorgegebenen Betriebsbedingungen gezielt auswahlen kann. Neben den rein technischen Gesichtspunkten sind bei dieser Auswahl auch wirtschaftliche Uberlegungen in Hinblick auf Anschaffungskosten und spatere Aufwendungen fur die Instandhaltung anzustellen. Zusatzlich konnen besonders bei groBen Anlagen auch gestalterische Aspekte oder Forderungen aus anderen Teilgewerken in den Entscheidungsprozess mit einfliegen.

10.4 Werkstoflundliche Betrochtungen

I

239

10.4.1 Metallische WerkstofTe

In der Vergangenheit wurde vielfach allgemeiner Baustahl St.37 nach DIN 17100 zur Herstellung von Rohrleitungen verwendet. Um die Korrosionsbestandigkeit zu erhohen werden die Rohrteile nach Abschluss aller Trenn- und Fugearbeiten mit einer Schutzschicht aus Zink versehen. Ebenso finden Auskleidungen aus Bitumen und Zement ihre Anwendung. Diese Rohrwerkstoffe sind im Laufe der technischen Entwicklung zunehmend von Edelstahlen ersetzt worden. Ausschlaggebend waren hierbei die erhohte Korrosionsbesttindigkeit und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen. 10.4.1.1

Edelstahl und seine Eigenschafkn

Edelstahl ist ein metallischer Werkstoff, der durch Zugabe bestimmter Legierungselemente auf spezifische Anwendungsfalle zugeschnitten werden kann (s. Tab. 10.3). Neben den Gefiigeformen des Stahls und seinen mechanischen Eigenschaften, wird durch Zugabe von Legierungselementen auch die Korrosionsbesttindigkeit beeinflusst. Hierbei kann es zu Wechselwirkungen kommen, die durch Beimischung weiterer Elemente unterdriickt werden konnen. Die fiir die Korrosionsbesttindigkeit maggeblichen Legierungszuschlage sind Chrom und Nickel oder auch deren Aquivalente. Hierunter versteht man Legierungen aus verschiedenen Elementen, die zur Bildung bevorzugter Gefiigeformen im Stahl fiihren und dem Werkstoff seine spezifischen Eigenschaften verleihen. Fur Rohrsysteme mit erhohten Anforderungen an die Korrosionsbesttindigkeit kommen im wesentlichen Werkstoffe mit einem kubisch-flachenzentriertenGefugegitter zum Einsatz, die sogenannten austenitischen Stahle. Diese weisen im Vergleich zu Stahlsorten mit ferritischer oder martensitischer Gekgestruktur hohere Werte im Nickel- und Chromaquivalent auf. Generell haben diese Werkstoffe einen mittleren Chromgehalt von 18% und Nickel von 8 % auf. Die Zugabe von Molybdan steigert die Besttindigkeit gegen Lochkorrosion. Da Molybdan aber gleichzeitig die Bildung der Ferrit-Gefugestrukturbegiinstigt, wird die Zugabe von Nickel erhoht, um diesen Effekt zu Gunsten des Austenitgefuges zu unterdriicken. Titan und Niob werden als Stabilisatorenfur Chrom beigegeben. So wird beim Einbringen thermischer Energie in den Werkstoff, zum Beispiel beim SchweiBen,die Bildung von Chromkarbid und damit die Verringerung der Korrosionsbesttindigkeit unterbunden. Die gleiche Wirkung erzielt man auch, indem man den Kohlenstoffgehaltim Stahl absenkt. Da hierdurch aber auch das Nickelaquivalent und die Festigkeit abgesenkt werden, ist die weitere Zugabe von Nickel und Stickstoff erforderlich. Durch diese komplexe Gestaltung der Stahllegierungerhalten die austenitischen Sttihle eine hohe Korrosionsfestigkeit bei gleichzeitig guter Verarbeitbarkeit und nur geringem Zahigkeitsabfall.

Legierungselernente

-

t Y

11 -

1 1

TTT

1

111

-

Dehnung Kerbschlagzahigkeit

Elastizitat

Karbidbildung

VerschleiBfestigkeit

Korrosionsbestiindigkeit

T Erhohung

-

-

TT

Streckgrenze 5

T

T T

Festigkeit

1 Minderung

-

-

-

TTT

1

111

T

T T

Harte

T TTT

Ti

T

1

TT 1

TT TT

Mangan, bei Chrom austenitischen Stiihlen

Mangan, bei perlitischen Stiihlen

Silizium

Element

Einfluss der Legierungselemente auf die Eigenschaften von Stiihlen

Tab. 10.3

-

-

Y

konstant

11

-

TT

-

-

TTT TTT

= Y

1

T

11

- ohne Angabe

-

TT tTT

-

--

1

T

T T

Nickel, bei Wolfram austenitischen Stdden

T

T T

Nickel, bei perlitischen SWen

TTTT IT t

T T

-

T T

T

Vanadium

-

TT

tTT

-

T

T T 1

T

Molybdan

z? $

F

ss.

5

2

w1

z

L'

rL

n

$

b

0

-

10.4 WerkstofPtundliche Betrochtungen

Korrosion an Edelstahl

Im Rohrleitungsbau ist Korrosion die Hauptursache fi.ir Schadigungen oder die komplette Zerstorung von Anlagen. Die Wahl des passenden Werkstoffes, konstruktive Ausfiihrungen, die fachgerechte Herstellung des Rohrsystems und schlieglich Wartung und Instandhaltung haben ausschlaggebenden Einfluss darauf, ob die Besendigkeit gegen korrosive Angriffe langfristig gewahrleistet bleibt. Unter Korrosion versteht man allgemein die Reaktion eines Werkstoffes mit seiner Umgebung. Die Reaktion ist meist elektro-chemischerArt, kann aber in Chemieanlagen bei hoheren Betriebstemperaturen auch rein chemischer Natur sein.

Abtragende Korrosion

Die allgemeinste Form der Korrosionserscheinungen ist die abtragende Korrosion, die grogflachig oder auch in ortlich begrenzten Griibchen und Narben in Erscheinung tritt. Hierbei laufen zwei elektro-chemische Prozesse parallel zueinander ab. Einerseits der anodische Vorgang der Metallauflosung, anderseits die kathodische Abscheidung von Wasserstoffionen.Dieser Art der Korrosion wirkt man mit Zuschlagen zur Wandstarke entgegen oder wechselt zu einem bestkdigeren Werkstoff. Naheres hierzu kann der DIN 50900. 50902 und 50905 entnommen werden. Kontaktkorrosion

Eine weitere allgemein bekannte Art ist die Kontaktkorrosion. Diese tritt auf, wenn zwei Metalle mit unterschiedlichem elektro-chemischem Potential metallisch leitend miteinander verbunden werden und ein Elektrolyt die Metalle umgibt. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird hierbei am grogten, wenn eine kleine anodische Flache mit einer grogen kathodischen Flache in Kontakt steht. Das sogenannte unedlere Metall wird sich in diesem Falle schnell auflosen. Ein klassische Beispiel ist die Verbindung von Edelstahlflanschen mit Schrauben aus Stahl.Wird diese Werkstoffpaarung mit Wasser als Elektolyt - Regen oder Kondenswasser - beaufschlagt,so wird die Stahlschraubeunweigerlichrosten. Vermeiden lasst sich dieser Vorgang indem man die beiden Metalle mit Unterlegscheiben zum Beispiel aus Kunststoff trennt und eine Uberbriickung dieser Trennung durch das Elektrolyt verhindert. Lochkorrorion

AuBern sich die Korrosionserscheinungenin krater- und nadelstichartigen Vertiefungen, so spricht man von Lochkorrosion. Diese Art der Korrosion tritt auch bei Edelstdden auf. Sie hat ihre Ursache in der Anwesenheit von Chloridionen, die in eine Wechselwirkung mit der Passivschicht der Stahloberflache treten. Gegebenenfalls ist eine mechanische Schadigung dieser Passivschicht vorausgegangen, die den Beginn des Korrosionsprozesses erleichtert. Diese Durchbruchstellein der Passivschichtwird zur Anode, an der sich der Stahl aufzulosen beginnt. Die angrenzende intakte Passivschicht wird zur Kathode an der zum Beispiel Sauerstoffaus dem umgebenden Medium reduziert wird. Durch den Elektronenfluss zwischen Anode und Kathode werden

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70 Anforderungen an die Maschinentechnik

in der sich bildenden Vertiefung positive Metallionen freigesetzt, die eine Wanderung der negativen Chlorionen in die Vertiefung nach sich ziehen. Die so initiierten chemischen Prozesse fuhren zur Ausbildung einer sauren Umgebung in der Vertiefung, die eine Beschleunigung der Korrosion zur Folge hat. Dieser selbststabilisierende Korrosionsvorgangkann unterbunden werden, indem man die Anwesenheit von Chloridionen verhindert oder den pH-Wert des umgebenden Mediums erhoht. Auch ein kathodischer Schutz zur Ableitung des sich bildenden Potentials ist hilfreich. Der Lochkorrosionkann man durch hohe Sorgfalt bei der Herstellung von Schweignahten entgegenwirken, um mogliche Angriffsstellen fur diese Art der Korrosion zu verhindern. Weiterhin sind zur Sicherheit gegen Lochkorrosion Edelstahle mit hoherem Anteil an Molyban und Chrom zu wahlen. Spaltkorrosion

Eine weitere Form der lokal auftretenden Korrosionserscheinungen ist die Spaltkorrosion. Auslosende Faktor ist hierbei eine Ausbildung von unterschiedlichen Konzentrationen, zum Beispiel der Sauerstoffverteilung, zwischen umgebendem Medium und Spalt. Je enger dieser Spalt ist, desto mehr wird der Sauerstoffaustausch behindert. Dadurch bildet sich eine sauerstoffarme Umgebung mit niedrigem pH-Wert im Spalt aus, so dass ein selbststabilisierender Korrosionsvorgang wie bereits beschrieben ablaufen kann. Neben den genannten Moglichkeiten zur Unterbindung des Korrosionsvorganges sind bei der Spaltkorrosion noch weitere konstruktive und betriebliche MaBnahmen anwendbar. So sind bei der Gestaltung von Rohrleitungen scharfe Kanten und Spalte weitestgehend zu vermeiden. Besonderes Augenmerk ist auf sorgfaltig ausgefuhrte Schweihahtwurzeln zu legen, um Wurzelspalte als potentielle Angriffsstellen zu verhindern. Auf betrieblicher Seite sollte eine kontinuierliche Durchstromung der Rohrleitungen angestrebt werden, um Sedimentationen und damit Spalte auszuschliegen. Kommen Stillstandszeiten trotzdem vor, so ist es ratsam die Rohrleitungen in regelmagigen Abstanden zu spulen. Weitere Arten von Korrosion

Bei der Verwendung von legierten Stahlsorten kann es an den Korngrenzen innerhalb des Stahlgefuges zur sogenannten interkristallinen Korrosion kommen. Diese tritt auf, wenn die Bestandigkeit gegen aggressive Medien durch Gefugeveranderungen im Korngrenzbereich gegenuber korngrenzfernen Bereichen herabgesetzt ist. Diese Gefugeveranderung kann sich durch die Verarmung an korrosionshemmenden Legierungselementen oder auch durch Bildung von Gefugebestandteilen,die bevorzugt durch das aggressive Medium angegriffen werden, a d e r n . Ein bekanntes Beispiel ist hierzu die Verarmung an Chrom durch Chromkarbidausscheidung infolge von thermischer Beanspruchung des Werkstoffes beim Schweigen. Entgegenwirken kann man der interkristallinen Korrosion durch den Einsatz hoher legierter StShle, die durch Zugabe von Titan, Niob oder Tantal gegen diese Angriffe stabilisiert wurden. Auch Stahle, die in ihrem Kohlenstoffgehalt bewusst niedrig gehalten wurden und deshalb die Karbidbildung hemmen, konnen hier verwendet werden.

10.4 Werkrtofkundliche Betrachtungen

Weiter Korrosionserscheinungen, die Erwahnung finden sollen, sind die Spannungsriss- und die Schwingungsrisskorrosion.Wahrend die Spannungsrisskorrosion durch eine gleichzeitige mechansiche Belastung und einen chemischen Angriff durch Chlorionen verursacht wird, ist die Schwingungsrisskorrosionnicht von einem aggressiven Medium abhangig. Vermeiden lassen sich diese Korrosionsarten durch konstruktive MaBnahmen ZUT Reduzierung auftretender Betriebsspannungen und, soweit verfahrenstechnisch moglich, durch Reduzierung aggressiver Bestandteile wie Chlorionen im Medium.

10.4.2

Kunsbtoffk

Neben den bekannten metallischen Werkstoffen werden zunehmend auch Kunststoffe fur den Bau von Apparaten und Rohrleitungen verwendet. Ausschlaggebend fur deren Einsatz ist meist ein wirtschaftlicher Vorteil gegenuber Stahlen. Zwingend wird deren Verwendung jedoch bei der Forderung hochkorrosiver Medien, besonders wenn diese chlorhaltig sind. Weitere Vorteile ergeben sich durch das geringe Gewicht und die vergleichsweise einfach durchzufuhrenden Fugearbeiten, was den Einsatz von Kunststoffen zur Optimierung von Bau- und Montagezeiten interessant macht. Bei der Klassifizierung unterscheidet man nach den physikalischen Eigenschaften in die Gruppen der Thermoplaste und der Duroplaste. 10.4.2.1

Thermoplaste

Die bekanntesten Kunststoffe aus der Gruppe der Thermoplaste sind Polyvinylchlorid (PVC, hart), und Polyathylen (PE). Im chemischen Sinne handelt es sich bei diesen Verbindungen um lineare Verkettungen von kleineren Kohlenstofherbindungenwie Athylen zu fadenformigen MakromoleMen. Eine charakteristische Eigenschaft dieser Werkstoffe ist die Vednderung der physikalischen Eigenschaften unter Temperatur- und Krafteinfluss. Thermoplaste werden deshalb mit zunehmender Temperatur dehnbar, plastisch oder flussig. Ebenso sind bei Langzeitbelastungdurch Betriebsspannungen merklichen Verformungen festzustellen. Wegen dieser Abhangigkeiten wird fiir die Stabiliutsberechnung von Konstruktionen aus Thermoplasten der zeitund temperaturabhangigen Kriechmodul herangezogen. Diese Verformbarkeit durch Temperatureinfluss macht es wiederum moglich verschiedene Bauteile aus Thermoplasten miteinander zu verschweigen. Man unterscheidet hierbei drei grundlegende Arten des Schweigens, das SpiegelschweiBen, Extrudieren und das Verwenden von Schweigmuffen.Auch Klebeverbindungen kommen zum Einsatz. Als Beispiel sind hier Klebemuffen fiir Rohre aus PVC, hart zu nennen. 10.4.2.2

Duroplaste

Polyester- und Epoxidharze,die nach dem Ausharten keine thermisch bedingen Verformungen mehr zu lassen, bezeichnet man als Duroplaste. Chemisch gesehen han-

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244

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10 Anforderungen an die Maschinentechnik

delt es sich bei diesen Kunststoffen um kettenformige Makromolekule, die uber Briikken aus kleineren Kohlenstofierbindungen wie Methylen zu dreidimensionalen NetZen verbunden sind. Durch diese Vernetzung sind keine thermischen Verformungen mehr moglich. Zur Erhohung der Zugfestigkeit werden die Harze in einen Werkstoffverbund mit Kohle- oder Glasfasern gebracht, woraus das bekannte GFK entsteht. Die erreichbaren Zugfestigkeitswerte von GFK sind denen hochfester Sttihle vergleichbar, die Warmeausdehnungkoefizienten sind jedoch hoher. Die Festigkeitswerte sind je nach Ausfiihrung des GFK-Werkstoffes bis zu einem Temperaturbereich von 70 90 "C konstant. Danach sinken sie merklich ab. Generell sind die Werkstoffkennwerte fur GFK von den Herstellungsverfahren und den eingesetzten Grundwerkstoffen abhangig. Ebenso sind lokale Schwankungen der Werte besonders bei groBen Bauteilen moglich. Da thermische Fugeverfahren ausscheiden, konnen GFK-Bauteile nur durch Laminieren oder Kleben verbunden werden. Im Rohrleitungsbau konnen auch Steckmuffenverbindungen eingesetzt werden, was jedoch die Ubertragbarkeit von fingskraften einschrankt. Korrosionserscheinungen an Kunststoffen

Generell kann gesagt werden, dass Kunststoffe fur die meisten Anwendungsfallekorrosionsbestandig sind. Lediglich bei einigen hoch konzentrierten Chemikalien wie Konigswasser oder reinem Chlorgas sind Einsatzgrenzen zu sehen. Bei Polyathylen (PE)wird Korrosion durch das Eindiffundieren niedermolekularer Stoffe und auch organischer Losemittel verursacht. Diese auBert sich dann im Aufquellen oder ortlichen Erweichen des Bauteils. Im Falle von Korrosion an PVC-Bauteilen ist ein Abbau der Stabilisatoren im Kunststoff zu erkennen. Begtinstigt wird dieser Vorgang durch anaerobe Verhaltnisse. Neben den genannten chemischen Angriffen, die ein Aufweichen der Harze mit sich bringen, kann durch eine vorherige mechanische Schadigung die Korrosionswirkung an GFK-Bauteilen versttirkt werden. Durch Einbringen von aggressiven Medien an diesen Schadstellen konnen diese, begtinstigt durch Kapillarkrafte entlang der Glasfasern, bis in statisch tragende Schichten des Werkstoffverbundes vordringen.

10.5

Schweif3technische Betrachtungen 10.5.1

Allgemeines zu Rohrverbindungen

Um verschiedene Rohrleitungsteile miteinander zu verbinden konnen je nach Erfordernissen aus dem Prozess zahlreiche Ausfiihrungsvarianten gewahlt werden. Man unterteilt hierbei in losbare und nicht nichtlosbare Verbindungen. Die gebrauchlichste Variante um Rohrleitungsabschnitte und Einbauteile losbar zusammenzufugen sind die Flanschverbindungen.Diese sind fur alle gangigen Nenn-

10.5 Schwe$technische Betrachtungen

durchmesserund Druckstufenals DIN-Standardteileerhaltlich.Generell unterscheidet man in VorschweiBflansche,die direkt mit dem Rohrkorper verschweiBt werden und Losflanschen, die aus einem anzuschweifienden VorschweiBbordel oder -bund und einem frei drehbaren Flanschring bestehen. Zur Herstellung einer formschlussigen und dichten Rohrverbindungsind bei Flanschenzusatzlich Schraubenund Dichtungen erforderlich,die auf die Flanschform und die spateren Betriebsbedingungenabzustimmen sind. In der Anwendung unterscheiden sich die beiden Flanschverbindungsarten durch die zulassigen Betriebsdriickeund die Freiheitsgradebei der spateren Montage. VorschweiBflanschesindfur Nenndriickevon1 - 400 barverfiigbar.Vor dem AnschweiBen ist jedoch genau darauf zu achten, dass die Durchgangsbohrungen der Verschraubung exakt fluchten, um spatere Argernisse bei der Montage zu vermeiden. Durch die freie Drehbarkeitvon Losflanschenist dieses vorheriges Ausrichten nicht erforderlich. Auch konnen Rohreinbautenindividuell positioniertwerden, was fiir die Bedienbarkeit von Schiebern oft von Vorteil ist. Die Bandbreite der Nenndriicke ist bei Losflanschen jedoch eingeschrankt, da diese nur von 1- 25 bar verfiigbar sind. Fur kleinere Nenndurchmesser sind auch Rohrverschraubungengebrauchlich. Diese sind ebenfallsformschlussigeVerbindungenundbedingen den Einsatz von zusatzlichen Dichtmaterialien, AnschweiBnippeln und Gewindemuffen. Weitere Arten der losbaren Rohrverbindungen sind Rohrmanschetten und Rohrkupplungen. Diese Bauarten von Rohrverbindungen sind ebenfalls als Standardteile fur gangige Nenndurchmesser erhdtlich. Der Einsatzbereich fur Rohrkupplungen liegt bei Nenndurchmessern bis etwa DN 200, wahrend Rohrmanschetten bis zu DN 600 venvendet werden konnen. Gegenuber den Flanschverbindungen besitzen diese Bauarten den Vorteil einer sehr einfachen und zeitsparenden Montage. Ebenso sind durch die kompakte Bauweise meist keine Zusatzteile wie Schrauben erforderlich. Durch das Aufbringen von Anpresskraften wird die Dichtheit und Positionstreue des Verbindungselements gew&rleistet. Eine dauerhafte formschlussige Verbindung wird jedoch nur bedingt oder gar nicht erzeugt, womit die Ubertragung von Kraften innerhalb des Rohrkorpers nur in Grenzen moglich ist. Dieser Nachteil wird bei einigen Bautypen durch das Anbringen von Schneidkanten an den Verbindungselementen teilweise kompensiert, die bei der Montage ein Verhaken mit der RohrauBenflache erzeugen. Der Vorteil der losbaren Verbindung geht jedoch auch mit Nachteilen einher. Im Falle der formschlussigen Verbindung sind dies zusatzliche SchweiBn&te und Zuriistteile, die zu Mehrkosten bei der Herstellung fiihren. Weiterhin kann es bei a d tretendem Versatz in den Rohrleitungsabschnitten zu Undichtigkeiten kommen. Bei einer Langzeitbetrachtung der Rohrverbindungen konnen Undichtigkeiten auch durch Alterung des Dichtungswerkstoffes oder durch llngung der Schraubverbindungen aufireten. Aus diesem Urnsanden leiten sich Wartungs- und Instandhaltungskosten ab, die bei einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtungzu beriicksichtigen sind. Werden durch die Rohrverbindung keine Krafibertragungen ermoglicht sind zusatzliche konstruktive MaBnahmen erforderlich, um axiale Krafte aus Rohrdehnungen und Forderbetrieb,sowie Biegekrafte aus der rein statischen Belastung aufzunehmen. Auch diese Mehraufivendungen fiir Rohrhalterungen und Aussteifungen sind in die wirtschaftliche Beurteilung einzubeziehen.

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70 Anforderungen an die Maschinentechnik

10.5.2 Schweil3techniken

Im Gegensatz dazu stehen die nichtlosbaren Rohrverbindungen,die bei sachgemager Ausfuhrung eine dauerhafte Stabilitat und Dichtheit gewahrleisten. Neben den Moglichkeiten des Klebens und Lotens, ist das SchweiBen zur Herstellung von Rohrverbindungen die gebrauchlichste Variante. Der Begriff des SchweiBens wird definiert als das Vereinigen von Bauteilen aus gleichen oder gleichartigen Werkstoffen im festen, teigigen oder flussigen Zustand, wobei ein Zusatzwerkstoff beigesetzt wird. Die Vielzahl der SchweiBverfahren gliedert sich nach DIN 1910 in die SchmelzschweiBverfahrenund die PressschweiBverfahren. Von diesen Hauptgruppen ist die erstgenannte fur den Anlagen- und Rohrleitungsbau am gebrauchlichsten. Unter den SchmelzschweiBverfahrenist wiederum das LichtbogenschweiBen am haufigsten in der Anwendung. Die erforderliche Energie zum Abschmelzen des Zusatzwerkstoffes wird hierbei iiber einen elektrisch erzeugten Lichtbogen zwischen dem Werkstiick und einer abschmelzenden oder dauerhaften Elektrode bereitgestellt. Fur diese Art des SchweiBens spricht die universelle Einsetzbarkeit fur alle Blechdicken und Fugenformen, fur legierte und unlegierte Stahle. Das bekannteste SchmelzschweiBverfahren ist wohl das WIG-SchweiBen (Wolfram-Inert-GasschweiBen). Der erforderliche Lichtbogen wird zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode aus Wolfram und dem Werkstiick gebildet. Der passende Zusatzwerkstoff fur die SchweiBungwird uber einen Stab zugefiihrt und abgeschmolZen. Das inerte Gas, meist ein Argon-Wasserstoff-Gemisch, wird von hinten an die Schweignahtwurzel herangefiihrt, wodurch der Luftsauerstoff von der heiBen SchweiBnaht ferngehalten wird. Ein GegenschweiBen der Nahtwurzel kann daher meist entfallen, wodurch eine Bevorzugung des WIG-SchweiBens im Rohrleitungsbau gegeben ist. Beim MAG- und MIG-SchweiBen (Metall-Inert-bzw. Metall-Aktiv-GasschweiBen) wird der Lichtbogen von einer selbst abschmelzenden Elektrode erzeugt, die uber eine Drahtspule zugefiihrt wird. MAG-SchweiBenwird bei unlegierten und niedrig legierten Stahlen wie 13CrMo44 eingesetzt, unter Verwendung von COz oder Gasgemischen. MIG-SchweiBen hingegen wird bei nichtrostenden Stahlsorten und auch Nichteisen-Werkstoffen wie Aluminium, Kupfer und Nickel sowie deren Legierungen venvendet. Ein weiteres SchweiBverfahren, das noch Erwahnung finden sol1 ist das Unter-Pulver-SchweiBen(UP). Dieses wird jedoch mehr im Druckbehalterbau und bei Plattierungen eingesetzt und hat fur den Apparate- und Rohrleitungsbau eher eine sekundare Bedeutung.

10.5.3

Qualit%ssicherung an SchweiRnlhten

Die meisten Korrosionsschaden an Rohrsystemen treten nicht am eigentlichen Rohrkorper sondern an den SchweiBnahten auf. Je nach Schwere des Qualitatsmangels im Zusammenspiel mit den betrieblichen Belastungen kann ein Versagen der SchweiB-

70.5 SchweiJtechnische Betrachtungen

naht schon nach wenigen Tagen auftreten. Daher ist schon im Planungsstadium auf eine Optimierung der SchweiBarbeiten zu achten. Allgemeine Richtlinien dazu finden sind zum Beispiel in den Normenschriften DIN 8463 und 8464 bzw. deren nachfolgenden Euronormen wie der EN 25817. Weitere Bewertungsknterienlassen sich in den AD-Merkblattern HP 1,2,3 und 5 finden. Bei der Festlegung der Nahtposition im Rohrsystem ist darauf zu achten, dass diese nicht in Bereichen besonderer korrosiver oder mechanischer Belastung liegt. Stutzennahte fiir Entleerungs- oder Beluftungsanschlusse sind hier als problematisches Beispiel zu nennen. Um eine unter Baustellenbedingungen schwierig herzustellende Montagenaht mit scharhntigen Nahtiibergangen im Rohrinnenbereich zu vermeiden, kann bereits werkstattseitig eine Aushalsung am betreffenden Rohrstiick eingearbeitet werden. Generell ist bei der Festlegung von SchweiBnahtendarauf zu achten, dass ein moglichst groBer Teil bereits in der Werkstatt hergestellt wird, um eine gleichbleibend hohe Fertigungsqualittit sicherzustellen. Lassen sich Montagenahte aus Konstruktions- oder Montagegriinden nicht vermeiden, so sind besondere Vorkehrungen zur Qualitatssicherung zu treffen. Bei den Vorrichtarbeiten ist auf eine achsgenaue Lage der Rohrstiicke zueinander und einen spannungsfreien Einbau zu achten. Die Fugenform ist gemaB den Bestimmungen der DIN 2559 auszufiihren und die Rohrenden durch HeftschweiBungen zu fixieren. Bei SchweiBarbeiten im Freien sind storende Einflusse durch Wind, Regen, starke Sonneneinstrahlung und Flugstaub von der SchweiBnahtfernzuhalten. Hierfur kommen meist Schutzschirme oder mobile Montagezelte zum Einsatz. Diese Schutzeinrichtungen bieten auch den Vorteil, dass fur augenstehende Dritte die Gefahr von Augenirritationen durch die extreme Helligkeit des Lichtbogens vermieden wird.

10.5.4

Nachbehandlung von Schweignahten

Nach Durchfiihrung der SchweiBarbeiten benotigen die SchweiBnahtbereiche eine intensive Nachbehandlung zur Entfernung von Oxidationsprodukten.Dies gilt besonders fur Edelsttihle deren Korrosionsbestandigkeit durch den Warmeeintrag beim SchweiBvorgang beeintrachtigt wird. Die Nacharbeiten mussen sich hierbei nicht nur auf die SchweiBnaht richten, sondern auch auf den Bereich um die Naht, der Warmeeinflusszone. Diese Zone ist an den farblichen Veranderungen des Edelstahls zu erkennen, die von Schwarz uber Blau, Braun bis Gelb reichen. Diese sogenannten Anlauffarben sind ein optisches Zeichen fur die Anderungen innerhalb des Legierungsgefiiges. Nach einer mechanischen Reinigung zum Entfernen von Verzunderungen und SchweiBriickstanden, wird der Bereich der Warmeeinflusszone chemisch gebeizt. Hierzu wird eine Beizsaure aufgetragen, die jedoch keine Salzsaure enthalten d a d Durch die Nachbehandlung (s. Abb. 10.2) mussen alle Anlauffarben vollstandig entfernt sein, Rucksttinde der Beizsaure sind sorgfdtig abzuwaschen. Hierauf ist besonderes Augenmerk zu richten, da bei Rohrleitungen mit hohen Anforderungen an die Korrosionssicherheit bereits gelbliche Verfarbungen eine spatere Angriffstelle fur

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10 Anforderungen a n die Maschinentechnik Abb. 10.2

Nachbehandlung von Edelstahl. Durch rnangelhafte Ausfuhrung und fehlende Nachbehandlung zerstorte Schweillnaht an einer Filtratwasserleitung aus 1.4571. Besonders auffallig ist hier, dass die deutlichsten Korrosionsschaden irn Bereich der Anlauffarben aufgetreten sind.

Lochkorrosion darstellen. Eine weitere Moglichkeit der Nachbehandlung ist das Nachschleifen oder Glasperlenstrahlen, was jedoch gegenuber dem Beizen eine geringere Korrosionsbestandigkeit erzielt.

10.5.5

Forderungen an die Ausfiihrung von Schweigarbeiten

Der bloBe Einsatz von Edelstahlen zur Erhohung der Korrosionsbestandigkeit von Rohrsystemen ist nicht alleine ausreichend. In hohem MaBe sind auch die Fachkunde der ausfuhrenden Firmen und die festgelegten Qualitatsanfordemngen der Verarbeitung ausschlaggebend. Deshalb ist es ratsam bereits in der Planungsphase einer Klaranlage die Ausfiihrungsstandards fur Einsatz und Verarbeitung von Ede1st;ihlen festzulegen. Die Entscheidung hieriiber lasst sich durch Abwagung von wirtschaftlichen Gesichtspunkten, wie Anschaffungs- und Betriebsfolgekosten, technischen Erfordernissen und terminlichen Betrachtungen der Baustellen- und Montageplanung finden. Die Festlegung der gewiinschten Qualitatsstandards beginnt mit der genauen Spezifikation der einzusetzenden Werkstoffe fur Rohrleitungen und Apparate, sowie der zugehorigen Einbau- und Formteile. Hierzu sind die einschlagigen DIN-Texte unter Nennung der Mindestwandstarken und 1st-Durchmesserheranzuziehen. Festlegungen zur Oberflachenbeschaffenheitund auch Priifbescheinigungen konnen je nach Einsatzfall ebenso gefordert werden. Von Wichtigkeit ist in diesem Zusammenhang die Definition der SchweiBnahtgiitenach EN 25817, ehemals DIN 8563 T3. Mit Hilfe der in dieser Norm beschriebenen Bewertungsgmppen wird eine Mindestqualitat der zu fertigenden Schweignahte definiert. Zur Nachkontrolle und Dokumentation der Qualitat sind Priifverfahren zu vereinbaren wie zum Beispiel Durchstrahlungspriifungen.

10.5 Schwegtechnische Betrachtungen

Von den ausfiihrenden Firmen und dem eingesetzten Fachpersonal sollte stets ein Eignungsnachweis neuesten Datums verlangt werden. In der Hauptsache sind dies der groBe und kleine SchweiBnachweis h r Firmen, sowie die SchweiBerzeugnisse gemas DIN EN 287. Bei dem eingesetzten SchweiBpersonal ist auf die notwendige Handfertigkeit und Sachkunde zu achten. Dies gilt im erhohten MaBe fur das Montagepersonal,da die erschwerten Fertigungsbedingungen im Baufeld besondere Sorgfalt und handwerkliche Fhigkeiten bedingen. Als Beispiel sei hier die Herstellung von Steig- und Fallnahten an teilmontierten Rohrleitungen genannt. Wahrend der Vorfertigung und Montagephase ist eine SchweiBaufsichtzu stellen. Dies konnen firmenseitig benannte Fachkrafte mit entsprechender Sachkunde, SchweiBfachingenieure oder externe Priifingenieure sein. Neben der Kontrolle der festgelegten Qualitatsstandards, sind auch die verwendeten SchweiBzusatzstoffe und eingesetzten SchweiBapparatesowie die fachgerechte Handhabung der Edelstahlprodukte zu kontrollieren. Insbesondere der oftmals sehr robuste Umgang mit Edelstahl auf Baustellen hat in der Vergangenheit zu Beschadigungen von Montagematerial gefiihrt. Deshalb ist auf eine genaue Trennung von Edelstahlprodukten und allgemeinen BausBhlen zu achten. Die direkte Lagerung der Werkstoffe nebeneinander, das Benutzen von Transportketten und Werkzeug aus Normalstahl, Ablagerungen von Flugrost und Funkenflug beim Zuschneiden von Baustahl fiihren unweigerlich zu Schadigungen an Edelstahlprodukten.Auch durch das Eindringen von Regen und Tauwasser in ungesicherte Rohrenden konnen Schaden durch Korrosion entstehen, da sich bei langerfristigen Zwischenlagerungen in dem Ruckstandswasser Schadstoffe aufkonzentrieren konnen. Weiterfii hrende Literatur

KLAPP,E.: Apparate und Anlagentechnik, Springer Verlag, Heidelberg Beitz, Kuttner: Dubbel - Taschenbuch fur den Maschinenbau, Springer Verlag, Heidelberg ATV Merkblatt M168 - Korrosion von Abwasseranlagen, GFA Wossoc, G.: Handbuch Rohrleitungsbau, Band I und II, Vulkan Verlag SOMMER,B.: Stahlrohrhundbuch,Vulkan Verlag Edelstahlrohre, Werksinformationen Butting GmbH Butting Journal, Ausgabe 6, Werksinformationen Butting GmbH, 1995. TUTHILL, A.H.: ,Die Verwendung nichtrostender St;ihle in kommunalen Klaranlagen", Korrespondcnz Abwasser 10, 1994. SCHAFER, K.:,,Hinweisefur Auswahl und Anwendung nichtrostender Stahle im Wasserwerksbau". bbr 9, 1994.

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Die RQumerin der Abwasserreinigung Bodo Hagen'ch

11.1 Einleitung

Die Sedimentationsbeckender Klaranlagen sind in der Regel mit Geraten ausgeriistet, die in der Lage sind, die sedimentierten Abwasserinhaltsstoffe zu einem Aufnahmepunkt fiir Pumpen hin zu fordem. Gleichzeitig werden die aufgetriebenen Inhaltsstoffe, die also leichter sind als Wasser, einer weiteren Behandlung zugefuhrt. Diese Gerate nennt man Raumer. Da die sedimentierten Inhaltsstoffe sehr leicht sind, kann der Raumvorgang nur sehr langsam vor sich gehen, damit die Inhaltsstoffe, die sich abgesetzt haben, sich nicht emeut mit dem Abwasser vermischen.

11.2 Bauarten

Die Raumer bestehen grundsatzlich aus den Teilen: 0 0 0

Raumerbriicke Bodenraumeinrichtung Schwimmschlammraumeinrichtung

Es gibt auch briickenlose Mumer. Aber auf diese Bauart soll an dieser Stelle nicht eingegangen werden. Jenach Ausgestaltung des Beckens,welches den Sedimentationsvorgangvollziehen soll, sind auch die Raumer ausgebildet.

Man unterscheidet grundsatzlich folgende Bauarten: 0 0

Sandschildraumer Sandsaugraumer

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I 7 Die Raumer in der Abwasserreinigung

Eingsschildraumer hngssaugraumer Rundschildraumer Rundsaugraumer Diese Bauarten werden immer den Erfordernissen der Bauwerke angepasst.

11.3

Verwendungszweck

Es sol1 mit dem Sandschildraumer begonnen werden. Jede Klaranlage hat einen Sandfang. Dort wird der Sand aus dem Kanalnetz gesammelt. Er muss aus dem System entnommen werden. An anderer Stelle ist auf die Ausbildung der Sandfange eingegangen worden. Handelt es sich um einen Langsandfang, so ist dieser mit einem Sandschildraumer zu versehen. Gegen die WasserflieBrichtung wird der sedimentierte Sand von einem am Sandschildraumer angebrachten Bodenschild in einen Sammeltrichter gefordert, von wo er mittels einer Pumpe der weiteren Verwendung zugef&rt wird. Gleichzeitig wird der Schwimmschlamm, der sich in Form von Fett und 0 1 in einer separaten Kammer bildet, ebenfalls gegen die FlieBrichtung geraumt und am Einlauf des Langsandfanges entnommen. Auf die unterschiedliche Fettentnahme wird an spaterer Stelle eingegangen. Die Ruckfahrt des Sandfangraumers erfolgt meist mit der doppelten Geschwindigkeit. Dabei sind Bodenschild und Schwimmschlammschildaus dem Wasser gezogen. Der Raumvorgang kann erneut erfolgen. Der Sandsaugraumer raumt den auf dem Beckenboden sedimentierten Sand nicht. Er fordert ihn direkt mittels einer am Raumer angebrachten Pumpe in eine seitlich angeordnete Rinne. Das dorthin geforderte Sand - Wasser - Gemisch wird dann uber freies Gefalle einer weiteren Verwendung zugefuhrt. Die Raumung des Fettes erfolgt in der gleichen Weise, wie oben geschildert. Diese Bauart wendet man dort an, wo die Ausbildung eines Sammeltrichters groBe Probleme bereiten wiirde. Der Langsschildraumer ist meist auf Sedimentationsbecken zu finden, die als ,,Vorklarbecken" bezeichnet werden. Es sind rechteckige Becken, die entsprechend der angewandten Verfahrensfiihmng , mit Wasser - Schlamm - Gemisch beschickt werden. Hier gilt es, sedimentierten Schlamm einem meist in mehrere Einheiten aufgeteilten Trichter zuzufuhren, von wo er dann durch Pumpen wieder ubernommen werden kann. Gleichzeitig mit dem am Boden abgesetzten Schlamm wird der aufgetriebene Schlamm, der leichter als Wasser ist, als Schwimmschlamm einer Konstruktion zugefuhrt und dort entnommen. Auch hier gibt es mehrere Arten der Schwimmschlammentnahme auf die spater eingegangen wird. Der Raumvorgang erfolgt diskontinuierlich. Die Ruckfahrt des Raumers findet mit doppelter Geschwindigkeit statt.

11.4 Konstruktive Merkmale

Der Liingssaugraurner raumt den auf dem Beckenboden sedimentierten Schlamm nicht. Er fordert ihn direkt mittels einer oder mehrerer am Raumer angebrachter Pumpen in eine seitlich angeordnete Rinne. Das dorthin geforderte Schlamm - Wasser - Gemisch wird dann uber freies Gefdle einer weiteren Verwendung zugefuhrt. Die Raumung des Schwimmschlammes erfolgt in der gleichen Weise, wie oben geschildert. Auch hier ist der Mumvorgang diskontinuierlich. Diese Bauart wendet man ebenfalls dort an, wo die Ausbildung eines Sammeltrichters groBe Probleme bereiten wiirde. Rundschildraumer werden meist ftir Nachklarbecken eingesetzt. Sie sind, wie der Name schon sagt, fur runde Beckenformen geeignet. Der Raumvorgangist im Gegensatz zu allen vorgenannten Verfahren kontinuierlich. Der auf dem Boden sedimentierte Schlamm wird kontinuierlich mittels eines speziell geformten Bodenschildes dem Zentrum des jeweiligen Beckens zugefiihrt und dort von Pumpen ubernommen. Bei dem Mumvorgang bewegt sich der Raumer kreisformig auf dem runden Bekken. Die Raumung des Schwimmschlammes erfolgt auf unterschiedliche Weise. Auf diese Verfahrenstechniken wird spater noch einzugehen sein. Rundsaugrdumer werden gleichermagen eingesetzt, wenn der Bau eines Mitteltrichters nicht moglich ist. Hier gibt es grundsatzlich zwei Versionen: Der Bodenschlamm wird mit entsprechend angeordneten Leitblechen einer Pumpe zugefihrt, die dann den sedimentierten Schlamm in eine meist kreisformige Rinne pumpt. Diese Rinne ist konzentrisch zum Sedimentationsbecken angeordnet. Dabei werden, in Abhangigkeit vom Beckendurchmesser, in der Regel mehrere Pumpen eingesetzt. In einem 2. Fall wird der Bodenschlamm anstelle mit Pumpen von entsprechend bemessenen Rohrleitungen aufgenommen. Diese Rohrleitungen fihren uber Regelorgane in eine Sammelbox. Dort wird der Schlamm von einer Rohrleitung ubernommen und einer entsprechend angeordneten Ringrinne zugefiihrt. Die Forderenergie wird hier durch eine entsprechend gewMte Hydraulik bewerkstelligt. Die Raumung des Schwimmschlammes erfolgt wie oben.

11.4

Konstruktive Merkmale

Der Raumer besteht, wie oben vermerkt, aus drei Einheiten: Raumerbriicke Unterwasserausrtistung Schwimmschlammraumausrtistung Diese Teile des Raumers sollen im Folgenden abgehandelt werden. Es sollen die wichtigsten konstruktiven Merkmale herausgearbeitet werden. Dabei wird groBer Wert auf die Wirtschaftlichkeit der Konstruktion und die Besundigkeit der Materialien in dem Milieu des Abwassers gelegt. Weiterhin SOU die Funktionaliut der Maschine a u f p n d der gewmten Konstruktion sichergestellt sein.

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7 7 Die Raumer in der Abwasserreinigung

11.4.1

Rsurnerbriicke Das eigentlich tragende Element ist die Briicke. Sie dient der Aufnahme von Unterwasserausriistung und Schwimmschlammraumausriistung.Weiterhin dient sie dem Betriebspersonal als Bediensteg fur die oben genannten Konstruktionselemente. Sie muss den Schaltschrank fur die einzelnen Funktionen der Maschine aufnehmen. Dariiber hinaus dient sie dem Betriebspersonal als augerst wichtiger Standort zur Beobachtung des Prozesses. Sie muss so konstruiert sein, dass der Betrieb sichergestellt ist und dass so wenig wie moglich an Wartungsarbeiten anfallt. Dasbeginntmit der Wahldeswerkstoffes. Es muss einwerkstoffundeineForm sein, die moglichst wenig Wartungsaufwand benotigen. Bei der Kosten - Nutzen - Analyse, die vom Verfasser durchgefiihrtwurde, hat sich der WerkstoffAluminium, kombiniert mit einer Vollwand - Abkant - Konstruktion als optimale Tragelemente fur die Briicke herausgestellt. Dabei sind aber eine Reihe von Grundsatzen zu beachten. Es darf nur die Legierung AlMg, venvendet werden. Diese Legierung hat sich als abwasserbestandig erwiesen. Sie ist in Blechen mit einer Breite von 1500 mm, allen erforderlichen Blechdicken sowie einer unbegrenzten l n g e im Handel verfugbar. Die tragenden Elemente der Raumerbriicke wird also von zwei Vollwandwangen gebildet. Das senkrechte Teil hat eine Hohe, die einen Handlauf entfallen lasst. Um unnotigen Verschnitt zu vermeiden, sollte die Abwicklung der Wange 1500 mm betragen. Die aus statischen Griinden erforderlichen Rippen fur die Vollwandkonstruktion benotigen keine Ausklinkungen. Spaltkorrosion ist an den nicht geschweisten Stellen der Rippen nicht beobachtet worden. Die Briicke sollte eine Breite von ca. 1000 mm haben. Die Abstande der beiden Wangen wird von einem Windverband gleichen Materials gebildet, der bereits die Aufnahme der ubrigen Kostruktionselemente vorsieht. Die Raumerbriicke ist auf dem Beckenrand fahrbar. Aus diesem Grund sind die erforderlichen Radkasten an der Briicke zu befestigen. Diese Radkasten enthalten immer zwei Rader. Es wird hier ein Raddurchmesser von nicht kleiner als 400 mm und eine Radbreite von nicht kleiner als 50 mm empfohlen. Die Radkasten sind aus dem gleichen Werkstoff zu wahlen wie die Briicke. Ein Rad bildet das Laufrad das andere Rad das Antriebsrad. Bei Engsraumern sind also zwei Antriebe notwendig, wahrend ein Rundraumer nur einen Antrieb besitzt. Bei Langsraumern kann auch eine Antriebseinheit mit einem Antrieb und zwei Kardanwellen zum Einsatz kommen. Da die Raumer in der Regel fur schienenlosen Betrieb eingesetzt werden, sind bei den lngsraumern insgesamt vier Stiitzradernotwendig. Die Sttitzrader sollten die Abmessungen 200 mm Durchmesser und 50 mm Breite nicht unterschreiten. Samtliche Lauf- und Stiitzrader besitzen eine Reifen - Bandage, welche der Belastung anzupassen ist. In einzelnen Fallen sind lngsraumer fur Schienenbetrieb eingesetzt. Hierbei entfallen die Stiitzrader. Die Laufrader sind dann dem Schienenprofil anzupassen. Besonders ist hier die Konstruktionsregel des Fest- und des Loslagers zu beachten.

7 7.4 Konstrukive Merkmale

Raumer fur Schienenbetrieb werden vornehmlich dort eingesetzt wo mit exzentrischen Kraften in Fahrtrichtung zu rechnen ist. Geeignet hiehir sind kngsraumer, die von Zahnradem in einer Zahnstange angetrieben werden. Es gibt aber auch Mumer mit Vollgummi - Laufradern, die von einem Zahnstangenantriebbewegt werden. Diese Raumer werden grundsatzlich mit einem Zentralantrieb fur beide Antriebsrader versehen. Dieser ist kombiniert mit Kardanwellen,die jeweils rechts und links ein Zahnrad antreiben, welchen seinerseits in einem Triebstock bnv. einer Zahnstange ktimmt. Bei dieser Ausfiihrung entfallen die hufschienen. Die Versorgung des Raumers mit elektrischer Energie erfolgt bei Gngsraumern iiber eine Kabeltrommel,die ihrerseits mit einem Motor angetrieben wird. Die eigentliche Stromiibertragung erfolgt iiber einen Schleifring, der in der Kabeltrommel untergebracht ist. Bei Rundraumern erfolgt die Ubertragung der elektrischen Energie direkt iiber einen Schleifringkorper,der auf der Raumerbriicke und zentral iiber dem Mittelbauwerk installiert ist. 11.4.2

Unterwasserausriistung

In der Aufzahlung der Bauarten sind die einzelnen Uumertypen gegliedert worden. Die konstruktive Ausbildung der Wntenvasserteile ist ebenfalls nach dieser Gliederung geordnet. Hier ist auf den jeweiligen Venvendungszweck hinzuweisen. Wegen der Bestandigkeit gegen Abwasser wird hier ausschlieBlich der Werkstoff 1.4571 (V4A)verwendet. Bei der Verarbeitung ist darauf zu achten, dass alle Teile im Vollbad gebeizt werden, damit Riickssnde von SchweiBungen abgetrennt werden. Das auf dem Beckenboden abgelagerte Sediment wird auf unterschiedliche Weise aufgenommen bzw. bewegt. 1 1.4.2.1

Sandschild&mer

Bei dem Sandschildraumer ist das Bodenschild dem Profil der Sandrinne angepasst. Es besteht meist aus einem Blech in notwendiger Starke, welches an dem Raumarm angeschraubt ist. Der Raumarm selbst wird iiber den Wasserspiegel hochgezogen. In einer Ruhestellung des Raumers ragt der Raumarm iiber das Becken hinaus. Somit kann man leicht das Bodenschild warten. Der Raumarm wird elektrisch nach oben gezogen. Diese Aushebung erfolgt auf jeder Riickfahrt des Raumwagens. Die Befestigung des Raumschildes an der Raumerbriicke erfolgt mit einem Bolzen, der beidseitig in Flanschlagem gefiihrt sein kann. Eine elektrolybsche Trennung zwischen Bodenschild und Raumerbriicke ist nicht zusatzlich notwendig. Der Raumarm wird meist mit einem Seil aus dem gleichen Werkstoff wie das Schild selbst aus dem Wasser gehoben. Seiltrommel und Antriebsmotor sind am Raumwagen installiert.

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I I Die Raumer in der Abwasserreinigung 11.4.2.2

Sandsaugraumer

Bei dem Sandsaugraumer ist kein Bodenschild vorhanden. Es wird ersetzt durch eine Pumpe. Hierbei kann es sich um eine Dmckluftpumpe oder um eine geeignete Kreiselpumpe handeln. Das Sand-Wassergemischwird bei dieser Bauart in eine seitlich des Sanfanges angeordnete Rinne gefordert. Friiher hatte man auf der Raumerbriicke ein Sandsilomitgefuhrt, welches den Sand aufgenommen hat. Das Uberstandswasser wurde aus dem Silo entfernt. Der Sand wurde bei Stillstand des Raumers in einen Container gefullt. Diese Bauart wird heute nicht mehr praktiziert. Das liegt wohl daran, dass der Sand heute einer weiteren Behandlung zugefiihrt werden muss. Das geht aber nur gemeinsam mit dem Uberstandswasser.

11.4.2.3

Langsschildraumer

Der Ungsschildraumer schleppt ein Bodenschild hinter sich her, welches in seiner Hohe den ATV Richtlinien anzupassen ist. Das Bodenschild wird von zwei Armen geschleppt. Das Bodenschild ist mit Laufrollen ausgestattet. Diese Laufrollen sollten einen Durchmesser von > 100 mm auheisen und durch eine angepasste Lagerung sich immer bewegen. Die Raumarme sind wie bei dem Sandschildraumer aus Vierkantrohr hergestellt. Bodenschild und Raumarme sind verschraubt. Das Bodenschild weist an seiner Unterseite eine Gummidichtung auf. Diese Gummidichtung kann Unebenheiten des Bodens ausgleichen. Sie ist ein VerschleiBteil und muss turnusmaf3ig ausgetauscht werden. Dazu ist es notwendig, dass das Bodenschild, welches mit einem Elektrohubwerk ausgestattet ist, vollends aus dem Wasser gehoben wird. Der Eingsschildraumer bewegt das Sediment zu einem Trichter hin, der es dann einem Pumpsystem zufuhrt. Die gesamte Konstruktion ist an der Raumerbriicke verschraubt. Hinsichtlich der elektrolytischen Einflussnahme zwischen Aluminium und Edelstahl ist auch hier auf eine Trennung zu verzichten.

11.4.2.4

Ungssaugraumer

Der Ungssaugraumer kommt sehr selten vor. Er wird nur dann eingesetzt, wenn die Ausbildung von Trichterspitzen aus Grundwassergriinden nicht moglich ist. Er ist gestaltet wie der Sandsaugraumer. Nur sind hier mehrere Pumpen im Einsatz. Weiterhin wird eine entsprechende Ausbildung der Bodenschilde vorgenommen, sodass das Sediment immer der Pumpe zugefthrt wird. Auch hier wird in eine seitliche Rinne gefordert.

11.4.2.5

Rundschildraumer

Die Rundschildraumer sind die verbreitetste Bauart. Bei den Rundschildraumern ist das Bodenschild in der Form einer logarithmische Spirale ausgebildet. Der Werkstoff ist wiederum 1.4571 (V4A).

71.4 Konstruktive Merkmale

Rein mathematisch beginnt die log. Spirale des Bodenschildes in der Mitte des Beckens. Es hat sich gezeigt, dass nach 120" (in Polarkoordinaten)der auBere Beckenrand erreicht sein muss. Nur so ist das Bodenschild in der Lage, das Sediment zum Mitteltrichter des Beckens hinzufordern. Das Standartbodenschild wird an entsprechenden Haherungen von der Raumerbriicke geschleppt. Seine Hbhe ist in den ATV-Richtlinien festgelegt. Die Unterseite des Mumschildes ist mit einer Gummileiste versehen. Dieses VerschleiBteilkann die Unebenheiten des Beckenbodenskompensieren. Es wird wie bei dem Gngsschildraumer auf abwasserbesandigen Rollen gefiihrt. Fur die Rollen werden Gleitlager eingesetzt. Ein "Quellen" des Radwerkstoffes ist entsprechend zu kompensieren. Es ist augerdem darauf zu achten, dass die Radialkrafie, die am Bodenschild angreifen, entsprechend abgefangen werden. Zu Reparaturzwecken und zum Austausch der Gummidichtung muss das Becken entleert werden. Das ist meist verfahrenstechnisch nicht durchfiihrbar. Hierbei bietet sich die heraushebbare Bauart an. Das Bodenschild ist immer zum Ausgleich von Differenzen zwischen Raumerfahrbahn und Boden gelenkig an der Briicke befestigt. Diese Tatsache macht man sich zunutze und hebt mit einem Seil und mit einer Handwinde das Bodenschild uber den Wasserspiegel. Dabei muss man auf zwei Dinge achten: 1. Man muss zur Heraushebung des Bodenschildes die Ablaufrinne teilen oder sie mit einem Ausbaustiick versehen, damit das Schild uber den Wasserspiegel gehoben werden kann. 2. Es ist zu beriicksichtigen, dass der a d e r e Punkt des Bodenschildes z. B. durch Wegklappen des augeren Schildteiles den absolut notwendigen Kreisweg bei der Aushebung sicherstellt.

Dann kann man von einem Boot aus das Bodenschild warten ohne das Becken zu entleeren. Oftmals ist es vorgeschrieben, dass die Wartung des Bodenschildes von der Raumerbriicke aus bewerkstelligt werden soll. Dies geht nur mit dem Einbau zusatzlicher Gelenke in den Stangen zum eigentlichen Bodenschild. Hierbei handelt es sich um einen augerst komplizierten Vorgang, der sich aber aus der Geometrie ergibt. Bei entsprechender Ausbildung kann dann das Bodenschild von der Mumerbriicke aus gewartet werden. Diese Ausbildung ist auhendig und teuer. Sie wird aber der Tatigkeit des Bedienungspersonals gerecht, welches schnell und ohne Fehler das Bodenschild warten soll. 11.4.2.6

Rundsaugaumer

Der Rundsaugraumer wird auf unterschiedlichste Art ausgebildet. Er wird immer nur dort eingesetzt, wo die Ausbildung eines Mitteltrichters nicht moglich ist. Man unterscheidet die Verfahren der Schlammhebung vom Beckenboden:

I

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1 I Die RGumer in der Abwasserreinigung

1. Der Schlamm wird mit Pumpen auf dem Beckenboden aufgenommen. Damit ist

das Ruckschlammpumpwerkin das Sedimentationsbeckenverlegt. Das Mittelbauwerk kann mit dem el. Schleifringso ausgebildet werden, dass der Schlamm direkt uber eine zentrale Rohrleitung abgepumpt werden kann. 2. Der Schlamm wird uber Rohrleitungen am Boden aufgenommen durch Absperrklappen geregelt einem Sammelkasten, dessen Schlammspiegel niedriger ist als der Nachklarbeckenspiegel zugefuhrt. Von dort aus fordert eine Pumpe den Schlamm wie unter 1. beschrieben. 3. Die Pumpe der Variante 2 wird durch eine Rohrleitungersetzt, die den Schlamm in eine Rinne fordert, die meist um das Mittelbauwerk angeordnet ist. Hierbei ist die Rohrleitung als regelrechte ,,Heberleitung"ausgebildet. Eine Evakuierungspumpe setzt den Vorgang in Funktion. Es ist darauf zu achten, dass die Rohrleitungen so dimensioniert werden, dass sie den Rucklaufschlamm der Dimensionierung entsprechend bewaltigen konnen. Der Schlamm kann dann einem Pumpwerk zuflieBen. Wie aus dem Beschrieb der einzelnen Verfahren hervorgeht, ist es klar zu erkennen, dass es sich in allen Fallen um Nachklarbecken handelt. Diese Becken bilden einen Teil der sehr empfindlichen biologischen Abwasserreinigung. An dieser Stelle sei auf eine besondere Bauart der Rundraumer venviesen. Es ist moglich, dass die Verfahrenstechnik uber die Venveilzeit des Schlammes im NachMarbecken auf Durchmesser kommt, die so grog sind, dass sie der problemlosen Raumung des Schlammes entgegenstehen. Bei Erhohung der Geschwindigkeit wiirde der gerade abgesetzte Schlamm wieder aufwirbeln und konnte so nicht der weiten Venvendung zugefuhrt werden. Hier gibt es zwei Bauarten von Rundraumern fur Nachklarbecken. 1. Die Briicke samt Bodenschildausriistungragt ca. 1/3 uber das Mittelbauwerk. Hierbei ist die Bodenschildausriistung um 1/3 zusatzlich ausgebildet. 2. Die Briicke samt Bodenschildausriistung bildet eine Doppeleinheit. Die Brticke

ragt uber den gesamten Durchmesser des Beckens. Wahrend die erste Bauart nur statische Probleme aufweist, ist bei der zweiten Bauart einiges zu beachten. Die Briicke besteht aus zwei Einheiten, die jeweils uber einen Beckenradius ragen. Sie hat nach Erfahrung des Verfassers zwei Antriebe. Die Briicke ist auch zu teilen, wobei die eine Briicke uber einen kleinen Drehkranz zentral auf der anderen Briikkenhalfte aufliegt. Endschalter, die an der StoBstelle am Mittelbauwerk angebracht sind, steuern die einzelnen Radantriebe. Dabei wird gewahrleistet, dass die Raumerbriicke nicht durch das Auftreten groBer Krafte bricht. Die Bodenschildausrtistungist, gleichgultig ob es sich um einen Schildraumer oder um einen Saugraumer handelt, doppelt ausgefuhrt. Dabei halbiert sich die Aufenthaltszeit des Schlammes bei gleicher Raumgeschwindigkeit.

7 1.4 Konstruktiue Merkmale

11.4.3

Schwirnrnschlarnrnbeseitigungsausriistung

In der Aufzahlung der Bauarten sind die einzelnen Raumertypen gegliedert worden. Die konstnhve Ausbildung der Schwimmschlammbeseitigungsausriistung ist ebenfalls nach dieser Gliederung geordnet. Hier ist auf den jeweiligen Venvendungszweck hinzuweisen. Wegen der Bestandigkeit gegen Abwasser wird hier ausschlieBlich der Werkstoff 1.4571 (V4A)venvendet. Bei der Verarbeitung ist darauf zu achten, dass alle Teile im Vollbad gebeizt werden, damit Riicksttinde von SchweiBungen abgetrennt werden. 1 1.4.3.1

Sandschildrhner/Sandsaugr&urner

Die Schwimmschlammraumung erfolgt bei beiden Bauarten auf die gleiche Weise. Ein Schild, welches an der Raumerbriicke befestigt ist, schiebt den Schwimmschlamm gegen die FlieBrichtung des Abwassers einem Absenkschieber oder einer anderen Entnahmeeinrichtung zu. Im Sandfangwird nur der auftreibende Schwimmschlamm (meist Fett) in der seitlich angeordneten Fettkammer beseitigt. Das Hubwerk fur das Schwimmschlammschildwird meist mit der Hand betatigt. Ein Elektrohubwerk ist an dieser Stelle nicht einzusetzen. Die Schwimmschlammraumung erfolgt auch meist unter Beobachtung durch das Bedienungspersonal. Es ist eine Frage der Geometrie, wie man das Schwimmschlammschild an der Raumerbriicke anordnet. Das Ziel des Konstrukteurs sollte es sein, moglichst die gesamte Oberflache des Fettfanges zu erreichen. 11.4.3.2

LangsschildMumer/Ungssaugriiurner

Die Schwimmschlammraumungerfolgt bei beiden Bauarten ebenfalls auf die gleiche Weise. Dabei geht das Schwimmschlammschilddes bngsraumers iiber die gesamte Beckenbreite und die Schwimmschlammraumung erfolgt auch gegen die FlieBrichtung. Generell unterscheidet man hier drei Verfahren: 1. Die Stimwand des llngsabsetzbeckens ist glatt ausgebildet. Das Schwimm-

schlammschild bildet in seiner Endstellung eine bodenlose Rinne im Becken. Seitlich wird ein Absperrschieber geoffnet und der Schwimmschlamm kann abgezogen werden. Je nach GroBe der bodenlosen Rinne flieu bei dieser Anwendung eine groBe Menge Wasser mit. 2. Es gilt nun das Abfliegen der groBen Wassermenge zu vermeiden. Die Stirnwand des llngsabsetzbeckens ist mit einer ,,Nase" unter dem Wasserspiegel versehen. Das Schwimmschlammschildbildet in seiner Endstellung nun mit dem Bauwerk eine regelrechte Rinne. Der Schwimmschlammkann nun durch Offnen eines seitlich angeordneten Absperrschiebers entnommen werden. 3. In jedem Fall will man das AbflieBen groBer Wassermengen vermeiden. Im Verfahren zwei ist die Abflussmenge schon geringer, aber noch nicht optimal. Ungenauigkeiten im Bauwerk lassen immer noch Wasser durch. Deshalb bildet man an der Stimseite des Beckens eine ,,Nase" aus, die kombiniert wird mit einer Auf-

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I

I 1 Die Raumer in der Abwasserreinigung

fahrtsrampe. Die Auffahrtsrampe ragt uber den Wasserspiegel hinaus. Das Schwimmschlammschild weist nun an seiner Unterseite eine Gummidichtung auf, die dem Ausgleich von Ungenauigkeiten dient. Zur leichteren Auffahrt auf die Rampe ist das Schild mit Rollen ausgestattet. Der Schwimmschlamm fallt nun in eine regelrechte Rinne. In der Rinnensohle werden oftmals verschliegbare Bohrungen angebracht, damit man mit ,,Spiilwasser"den Schwimmschlamm dem seitlich angeordneten Absperrschieber zufiihren kann.

1 1.4.3.3

Rundschildrdurner/Rundsaugrdurner

Die Schwimmschlammraumung erfolgt wiederum bei beiden Bauarten auf die gleiche Weise. Der Schwimmschlamm breitet sich gleichmagig auf der Oberflache des Beckens aus. Jede Art von Schwimmschlammraumung muss mit der Tatsache fertig werden, dass die runde Oberflache des Beckens sich dreht, wenn man eine radiale Konstruktion in die Wasseroberflache eintaucht und eine Kreisbewegung beschreibt. Es sollen nun nacheinander die wichtigsten Verfahren beschrieben werden: 1. Das einfachste Verfahren ist die Schwimmschlammraumung mit einer eingehangten Tauchdiele, welche versucht den Schwimmschlamm in eine am Beckenrand angebrachte Schwimmschlammtasche zu fordern. Die Tauchdiele oder das Schwimmschlammschild ist wie alle wasserberiihrten Teile aus dem Werkstoff 1.4571 (V4A)hergestellt. Es ragt ca. 200 mm in das Wasser hinein und ist nicht radial angeordnet. Das Schild hat eine Neigung zum Beckenradius. Durch diese Konstruktion sol1 erreicht werden, dass bei der Kreisbewegung der Raumerbriicke der Schwimmschlamm nach a d e n getrieben wird. Die auBen angeordnete Schwimmschlammtasche ist mit einer Auffahrtsrampe und einer Abfahrtsrampe versehen. Die Schwimmschlammubergabestationbefindet sich uber dem Wasserspiegel. Eine Ausfuhrung der Schwimmschlammtasche ist mit einer Klappe unter dem Wasserspiegel versehen, die von einer Vorrichtung am Raumer kurzzeitig geoffnet wird, damit ,,Spiilwasser"den Schwimmschlamm besser transportiert. Sowohl am Mittelbauwerk als auch an der Schwimmschlammtasche ist das Raumschild mit austauschbaren Gummileisten versehen. Diese Leisten dienen der Uberbriickung von Ungenauigkeiten des Betons. Dieses Verfahren wird heute nur noch selten angewendet. 2. Eine Variante zu dem eben geschilderten Verfahren ist das Querraumwerk. Hierbei wird der Transport des Schwimmschlammes durch einen Bandraumer vorgenommen. Dieser Bandraumer besitzt eine Arbeitsbreite von ca. 300 mm und fordert den Schwimmschlamm radial nach augen. Der Vorgang, der im ersten Verfahren mittels natiirlicher Krafte stattfindet, wird hier maschinell unterstiitzt. 3. Bei diesem Verfahren wird der Schwimmschlamm uber einen Teil der Beckenoberflache nach auBen gefordert (wie beim ersten Verfahren). Eine sogenannte Skimmrinne, welche an ihrer Ruckseite eine starre Wand und an ihrer Vorderseite eine Auffahrrampe oder eine bewegliche Wand auheist. Die Ablaufkante fur den

11.5 Zusammenfossung

Schwimmschlamm ist in jedem Fall von der Raumerbriicke aus einstellbar. Der Antrieb ist meist mit einem Handrad ausgefiihrt. Somit kann der Schwimmschlamm in dieser Rime eingefangen werden. In der Skimmrinne ist eine Pumpe installiert, die den Schwimmschlamm uber das Mittelbauwerk fordert. Hierzu ist es notwendig, dass zentral im Mittelbauwerk ein Drehgelenk angeordnet ist, welches man gut mit dem ohnehin notwendigen Schleifringkorperkombinieren kann. 4. Hier wird die dritte Variante unterstiitzt. Zur Unterstiitzung wird ein Paddelwerk verwendet. Dieses Paddelwerk kann als rotierende Welle mit Gummileisten am Umfang oder als Bandraumer ausgebildet sein. In jedem Fall wird der Schwimmschlamm unter Zwang in die Rime gefordert. Das Paddelwerk hat einen separaten Antrieb. Diese Konstruktion kann von der Raumerbriicke aus mit einer Gewindespindel optimal eingestellt werden. 5. Der Raumvorgang verlaufi verhaltnismaBig langsam. Die AuBengeschwindigkeit des Raumers betragt ca. 3 cm/s. Dennoch tritt immer wieder das Problem des ,,Vorschiebens" von Schwimmschlamm auf. In dem nun geschilderten Verfahren wird dem ,,Vorschieben"entgegengewirkt. Ein vorauseilendes Schild, welches bei seiner ,Vorausfahrt" nicht in das Wasser eintaucht, bewegt sich wesentlich schneller als der Raumer selbst. Das Schild ist an der Raumerbriicke gelagert und bewegt sich mit mindestens einem Rad auf der Beckenwand. Das Schild bleibt stehen taucht in das Wasser ein und bildet nun die zur Schwimmschlammfudeng notwendige ,,Wand. Nun kann das Schild entgegen der Raumrichtung bewegt werden oder es kann still stehen bleiben. In jedem Fall wird durch dieses Verfahren verhindert, dass sich die Oberflache des Rundbeckens samt Schwimmschlamm dreht. Eine Konstruktion nach dem Verfahren zu 3 oder 4 kann dann den Schwimmschlamm aufnehmen.

11.5

Zusarnrnenfissung

In diesem Kapitel ist auf die wichtigsten Mumerbauarten eingegangen worden. Es gibt noch eine Menge von weiteren Konstruktionen, die hier nicht behandelt wurden. Herausgestellt wurden nur die in der kommunalen Abwasserreinigung gangigsten Ausfiihrungen.

I

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12

Anforderungen an die technische/maschinelle Ausriistung von Schlammbehandlungsanlagen Hans- Hermann Niehoff

12.1

Einleitung

Nach dem Kreislaufwirtschafts-/Abfallgesetz(Krw-/AbfG)ist Klarschlamm vorrangig zu vermeiden. Dies ist jedoch grundsatzlich nicht moglich, da durch Mafinahmen der Abwasserbehandlung zwangslaufig Klarschlamm anfallt. Die Klarschlammbehandlung hat daher zum Ziel, einerseits die Schlammmenge soweit als moglich zu minimieren sowie andererseits den Schlamm in einen Zustand zu versetzen, in dem er vorrangig - einer stofflichen oder energetischen Verwertung bzw. - wo dies nicht moglich ist - einer endgultigen Beseitigung (Entsorgung) zugefiihrt werden kann. Die unter dem Oberbegriff ,Klarschlammbehandlung" zusammengefassten Verfahrensschritte sind in Abb. 12.1 dargestellt.

Klhchlarnrnbehandlung

- V d n d k k u n g (.tltlsch, nuschinoll) - StrMlirkrUlIg - (Entmwchung) - N.ch.indldcuW

- I&. Vetweflung +.- landbauliche Vemertung - Zuschlagsioff Velwertung als

Verbmnnung

Abb. 12.1 Verfahrensschritte der Klarschlamrnbehandlung

264

I

72 Anforderungen an die technische/maschine/le Ausrustung von Schlammbehandlungsanlagen

Die Wahl der einzelnen Verfahrensschritte wird im Wesentlichen durch folgende Faktoren beeinflusst: 0

0

0

Verfahren der Abwasserreinigung GroBe der Klaranlage Kosten/Wirtschaftlichkeit Venvertungs-/Entsorgungswege Entsorgungssicherheit nichtmonetare Gesichtspunkte - insbesondere Emissionen

Die Klarschlammbehandlung ist im Hinblick auf Wassergtitekriterien nicht direkt emissions- bzw. abgaberelevant - d. h. bei einer Betriebsstorung besteht nicht die unmittelbare Gefahr, dass der Staatsanwalt an der Tur steht -, dennoch ist die Betriebssicherheit auch von Schlammbehandlungsanlagen von groger Bedeutung. Die Betriebssicherheit wird dabei in erster Linie von der technischen/maschinellen Ausrustung bestimmt. Wahrend friiher eine Klaranlage als Bauwerk mit notwendigen technischen Einrichtungen gesehen wurde, dominiert auf heutigen modernen Klaranlagen die Verfahrenstechnik mit zugehoriger maschineller und elektrotechnischer Ausriistung. Dies gilt sowohl fur die Abwasserbehandlungwie auch fur die Schlammbehandlung. Heutige Verfahrenzur Schlammbehandlungweiseneinen hohen Entwicklungsstandmiteinem grogen Anteiltechnischer Ausriistung auf, die die Funktiondes Verfahrensbestimmen. Zur technischen Ausriistung zahlen Maschinen und Apparate, rohrleitungstechnische Installationen sowie E-/MSR-Technikbzw. Prozessleittechnik. Im Rahmen dieses Beitrages werden allgemeine Anforderungen an die technischel maschinelle Ausriistung von Schlammbehandlungsanlagen aufgezeigt. Spezifische Anforderungen und Losungsvorschlagewerden anhand ausgesuchter praktischer Anwendungen dargestellt. Die Begrenzung des Umfangs dieses Beitrages lasst es nicht zu, auf jedes Verfahren und jede Variante der Schlammbehandlung einzugehen. Es wird jedoch versucht, exemplarisch generelle Anforderungskonsequenzen darzustellen, die sich aus spezifischen Verfahrenszielen ergeben. Folgende Verfahrensschritte der Schlammbehandlung werden in die nachfolgenden Ausfuhrungen einbezogen:

0 0

Primarschlammabzug/-eindickung maschinelle Uberschussschlammeindickung Schlammstabilisierung: - aerobe Schlarnmstabilisierung - anaerobe Schlammstabilisierung (Faulung) Nacheindickung/Schlammspeicherung Schlammentwasserung

Die thermische Schlammbehandlung (Trocknung, Verbrennung) wird nicht behandelt.

12.2 Allgemeine Anforderungen

I

265

In dern Mafie, in dern die Anforderungen an die Leistungsfahigkeitder Klaranlagen gestiegen sind, sind in erster Linie die Anforderungen an die rnaschinelle und elektrotechnische Ausriistung gestiegen. Moderne Klaranlagen sind daher iiberspitzt forrnuliert weniger Bauwerk denn ,,Maschinenfabrik, d. h. die maschinelle Ausriistung ist das eigentliche Herzstiick der Anlage, sie bestimrnt - abgeleitet aus der gewahlten Verfahrenstechnik - den Bau und die Elektrotechnik. Aus dieser MaBgabe erklart sich irn Sinne eines optirnierten Planungs- und Bauablaufes auch die Prarnisse, dass zunachst auf der Grundlage der allgemeinen Planung die verfahrenstechnische/rnaschinelle Ausriistung ausgeschrieben werden sollte. Erst auf der Basis der festgelegten Verfahrens- und Maschinentechnik sollte die Bauwerksplanung abgeschlossen und der Bauteil ausgeschrieben werden. Wenn diese Abhangigkeiten nicht ausreichend beriicksichtigt werden, kann es irn Extrernfall passieren, dass die Maschinentechnik nicht in das fertiggestellte Bauwerk passt. Dieser Gesichtspunkt hat besondere Bedeutung, wenn irn Rahmen von Ausschreibungsverfahren kostengiinstige Altemativen und Sondervorschlage Beriicksichtigung finden sollen.

12.2 Allgemeine Anfbrderungen 12.2.1

Cenerelles

Die generellen Anforderungen an die technische/rnaschinelle Ausriistung von Schlarnmbehandlungsanlagen lassen sich gernaB Tab. 12.1 irn Wesentlichen zielorientiert in folgende Bereiche einteilen: 12.2.2 Emissions- und immissionsorientierteAnforderungen

Die Anforderungen hinsichtlich AbluftlAbgas sind irn Bundesirnmissionsschutzgesetz (BIrnSchG)und der darin eingebundenen TA-Luft geregelt. Relevant f i r Klaranlagen sind hier vor allem die folgenden Abgasemissionswerte fur Gasrnotoren (BHKW's als Gas-Otto- Motoren) Tab. 12.1

Cenerelle Anforderungsaspekte an die rnaschinelle Ausriistung

Emissions-/lmmissions-Aspekte

Betriebssicherheits-Aspekte

Kosten-Aspekte

Abluft, Abgas, (CO,) lrm/Ger&xhe Geruch Abw2rme Grundwasser

Zweck- und Leistungserfiillung Verfiigbarkeit/Zuverlassigkeit Wartung und Bedienung Automatisierung

lnvestitionskosten Kapitaldienst Betriebskosten Efizienz kbensdauer

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I

72 Anforderungen an die technischelmaschinelle Ausrustung von Schlammbehandlungsanlagen

co: NO,: NMHC:

650 mg/mk bei 5 % O2 500 mg/m$ bei S % 0, 150mg/m; real

sowie die Genehmigungspflicht fur Anlagen mit einer Feuerungsleistung (Primarenergieeinsatz) von 2 1 MW. Anlagen < 1 MW sind anzeigepflichtig. Um diese Abgasemissions-Grenzwerteeinhalten zu konnen, werden die Gasmotoren im sogenannten Magerbetrieb mit Luftiiberschuss in einem h-Bereich zwischen 1,6 und 1,67 betrieben. Die durch den Magerbetrieb verursachte LeistungseinbuBe wird in der Regel durch eine Gemischaufladung kompensiert. Andere Verfahren zur Einhaltung der Abgasemissionswerte- wie z. B. der geregelte 3-Wege-Katalysator - haben sich bei dem Brennstoff Faulgas nicht bewahrt. Dariiber hinaus konnen zusatzliche Richtlinien, gegebenenfalls auch besondere Auflagen, Einfluss auf die Anforderungen an thermische Einrichtungen zur Faulgasverbrennung, z. B. Fackelanlagen, finden. Fur den Betrieb von Klarschlammbehandlungsanlagenwird Strom benotigt. Bei der Stromerzeugung auf Basis fossiler Brennstoffe entstehen C0,-Emissionen, die grundsatzlich nicht verhindert werden konnen, da als Ergebnis einer stofflichen Umsetzung immer Stoffwechsel-Endproduktemit einem relativ hohen C0,-Anteil entstehen. Es bleibt somit lediglich die Frage der Menge, der Zeitdauer sowie des Entstehungsortes. Auf Klaranlagen bezogen wird die GroBenordnung der C02-Emissionindirekt durch den Strombedarf fur die Harschlammbehandlung und somit in erster Linie von dem gewahlten Verfahren bestimmt. Ein gutes Beispiel hierfur ist die Klarschlammstabilisierung, bei der bei aerob-simultaner Stabilisierung infolge hoheren Strombedarfs indirekt wesentlich mehr C0,-Emmissionen entstehen als bei der Stabilisierung durch Faulung. Zusatzlich entsteht bei der anaeroben Stabilisierung Faulgas, das im Sinne von erneuerbaren Energien verstromt und damit zur weiteren Reduzierung der C0,-Emissionen genutzt werden kann. Auf diesen Aspekt wird an spaterer Stelle nochmals eingegangen. l r m - und Gerauschgrenzwertein Abhangigkeit vom Standort und den Tageszeiten werden in der TA-Erm geregelt. Die Entstehung von Geriichen ist nach Moglichkeit schon durch die Wahl des Verfahrens zu verhindern. Wenn dies nicht durchgangig moglich ist, sind die technischen Einrichtungen derart gekapselt auszufAren, dass eine Ausbreitung von Geriichen weitestgehend verhindert werden kann. Derartige MaBnahmen zur Eingrenzung von Geruchsemissionen gehen oftmals aufgrund der durch die Kapselung eingeschrankten Zuganglichkeit zu Lasten der Bedienungs- und Wartungsfreundlichkeit. Dies bedingt, dass ein sinnvoller Kompromiss zu finden ist. Dariiber hinaus ist bei einer Kapselung von Anlagen zur Schlammbehandlung (z. B. Nacheindikkern) zu beachten, dass gegebenenfalls Gas austreten kann und dementsprechend Ex-Schutz-Richtlinienzu beriicksichtigen sind. Abwarme wird in zunehmendem MaBe in die Anforderungen an die maschinelle Ausriistung einbezogen. Das Entstehen von Abwarme kann durch optimale Verfahrensfuhrung sowie durch Maschinen mit hohen Wirkungsgraden optimiert bzw. minimiert werden.

Grundwasserbeeintrachtigungen konnen durch Stickstoffierbindungen, die nicht direkt von der Pflanze aufgenommen bzw. nicht im Boden gespeichert werden konnen, auheten. Dies ist der wesentliche Grund dakr, dass bei der nach wie vor zu bevorzugenden landwirtschaftlichen Kllrschlammverwertung das Schlammwasser mit einem relativ hohen Stickstoffanteil soweit als moglich abgetrennt werden sollte, um Stickstoffimmissionen uber diesen Pfad zu begrenzen.

12.2.3 Betriebsorientierte Anforderungen

Die zur Anwendung kommende maschinelle Ausriistung muss in der Iage sein, im Zusammenwirken ihrer einzelnen Komponenten den Zweck und das Verfahrensziel uneingeschrankt zu erfiillen. Die in eine Verfahrenstufe eingebundene und bestimmende maschinelle Ausriistung muss ihre Leistung schon aus ihrer Konzeption heraus gewfirleisten konnen. Die Verfugbarkeit und Zuverlassigkeit einschlieglich der Wahl der Redundanzaggregate ist heute ebenso eine Frage der Betriebssicherheit und damit der Sicherheit des angestrebten Ergebnisses der Schlammbehandlung sowohl in genehmigungsrelevanter Sicht wie auch unter betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten. Bei schlechter Verfugbarkeit und Zuverlassigkeit wird das Ergebnis zwangslaufig gefahrdet, wodurch sich Auswirkungen auf die nachfolgenden Behandlungsstufen, die Einhaltung von Emissions-und Immissionskriteriensowie den Entsorgungspfad ergeben. Neben rechtlichen Problemen konnen dadurch Kosten und somit betriebswirtschaftliche Nachteile entstehen. Fur alle betriebswichtigen Maschinen und Aggregate, d. h. in erster Linie Pumpen, Luftverdichter, Gasmotoren usw. sind ausreichend Reserveeinheiten vorzuhalten. Die Notwendigkeit des automatischen Wechsels auf das Reserveaggregat bei Ausfall des Hauptaggregates oder aber die weniger aufwendige Umstellung von Hand muss in Abhangigkeit von den jeweiligen Rahmenbedingungen geklart werden. Die technischelmaschinelle Ausriistung ist so zu wahlen und auszufuhren, dass der Wartungsaufwand minimiert werden kann und eine problemlose Bedienung moglich ist. Entscheidend hierfiir ist auch eine optimierte Planung und Ausfiihrung der Ausriistung hinsichtlich der Zuganglichkeit. Eine Exzenterschneckenpumpe,bei der beispielsweise zum Wechsel eines Rotors oder Stators die Pumpe komplett ausgebaut werden muss oder aber wesentlicheTeile der Rohrleitungsinstallationabgebautwerden mussen, ist unter diesen Gesichtspunkten nicht unbedingt optimal eingeplant. Ein weiteres Beispiel ist die Zuganglichkeit von Wartungspunkten, z. B. Schmierstellen. Die Zuganglichkeit hat ganz entscheidenden Einfluss auf die Qualitat der Wartungsarbeiten und damit zwangslaufig auf die Lebensdauer der Maschinen. Die Beachtung der zuvor genannten Kriterien fordert die Zuverlassigkeit, die Verftigbarkeit und damit das Erreichen des angestrebten Zieles, auch im Sinne einer optimierten Betriebswirtschaftlichkeit. Zur Verminderung insbesondere des Personalaufwandes wird heute oft ein sehr hoher Automatisierungsgrad angestrebt. Dies ist jedoch in aller Regel nur dann ge-

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72 Anforderungen an die technische/maschinel/e Ausriistung von Schlammbehandlungsanlagen

rechtfertigt, wenn die Einsparungen auf der Seite der Personalkosten die Kosten fur die zusatzliche Investition iibersteigen. Eine Automatisierung sollte deshalb vorrangig die Sicherheit und Aufrechterhaltung des Betriebes der Anlagen zur Schlammbehandlung und die Absicherung der darin enthaltenen Ausriistungen zum Ziel haben. Auf iiberzogene E-/MSR- und PL-Technik, die dariiber hinaus oftmals nur zweifelhaft zuverlassige Messwertaufnahmeeinrichtungen zur Grundlage haben und obendrein nur ,,Datenfriedhofe' liefern, ist zu verzichten. Vielmehr sollte nach wie vor anstelle einer iibersteigerten Messwertglaubigkeitder gesunde Menschenverstand gefordert werden, was bedeutet, dass das Bedienungspersonal gezwungen ist, regelmaBige Plausibilitats- und Vor-Ort-Kontrollenvorzunehmen.

12.2.4

Kostenorientierte Anforderungen

Die Kosten der Investition (Anschaffungskoten)verursachen in aller Regel den grogten Teil der Gesamtkosten. Ziel muss es daher sein, diese Kosten so gering wie m o g lich zu halten. Diese Forderung ist legitim. Andererseits sind jedoch auch die betriebssicherheitsorientierten Anforderungen unabdingbar. Qualitatssicherung und qualitatsorientierende Ausfiihrung ist ein Bestandteil modernen Handels und hat seinen Preis. Es versteht sich von selbst, dass zwischen diesen Ziel-Konflikten ein sinnvoller Kompromiss gefunden werden muss. Giinstige Herstellkosten diirfen im Sinne einer Gesamtkostenbetrachtung nicht zu Lasten der in den Abschnitten 12.2.2 und 12.2.3 dargestellten Anforderungen gehen. Leider ist dieser Trend vor dem Hintergrund leerer Kassen der Betreiber seit mehreren Jahren feststellbar. Derzeit gilt: Nur der Preis zahlt! Dementsprechend erfolgen die Vergaben, teilweise unter massiver ,,Vergewaltigung"der VOB. Dies kann im Ergebnis dam fuhren, dass Verfahren und damit technische Ausriistungen zur Anwendung kommen, die mittelfristig durch hohere Betriebskoten, mindere Qualitat usw. im Sinne einer Vollkostenrechnung hohere Kosten verursachen. Eine weitere Ursache fur diesen Trend liegt allerdings auch in den derzeit sehr ungiinstigen Mark- und Wettbewerbsbedingungen fur die Ausriistungsbranche, wo bei einem generell schlechten - bzw. teilweise nicht auskommlichen - Preisniveau Wettbewerbe in aller Regel nur durch vordergriindig preisgiinstige Altemativen und Sondervorschlage gewonnen werden, die jedoch oftmals einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nicht unbedingt standhalten wiirden. Ein klassisches Beispiel ist die Schlammstabilisierung fur den Bereich, wo aerobsimultane Stabilisierung einerseits und Schlammfaulung andererseits im Wettbewerb zueinander stehen. Im Sinne einer Gesamtkostenbetrachtung ist die klassische Schlammfaulung das Stabilisierungsverfahren der Wahl ab einer KlaranlagengroBe von etwa 25 000 bis 30 000 E + EW, je nach Rahmenbedingungen. Trotzdem werden insbesondere im Osten der BRD Belebungsanlagen mit aerob-simultaner Stabilisierung bis hin zu GroBenordnungen von 100000 EW geplant und auch realisiert, weil vermeintliche Fachplaner - die nicht unbedingt dem Kreis der Fachplaner Wasserwirtschaft zugerechnet werden konnen - nicht in der Lage sind, Faulungsanlagen

72.2 Allgemeine Anfordcrungen

I

269

zu planen bzw. entsprechende Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen aufzustellen oder aber einschlagige Generalunternehmer mit vordergrtindig kostengiinstigeren Alternativen in Form von Stabilisierungsanlagen antreten [l]. Trotz der derzeitigen Knappheit der Mittel sollte auch auf das auBere Erscheinungsbild einer technischen Ausriistung Wert gelegt werden. Eine SchweiBnaht beispielsweise sollte nicht nur dicht, sondem auch gleichmagig sauber ausgefiihrt sein. Auf der anderen Seite sollten jedoch gerade an SchweiBnahte keine uberzogenen Anforderungen gestellt werden, die die Kosten unnotig in die Hohe treiben. Auf Klaranlagen mit relativ niedrigen Betriebsdriicken und -temperaturen mussen nicht unbedingt die SchweiBmaBst3be von Kernkraftwerken angelegt werden. Des Weiteren sollte auch bei der maschinellen Ausriistung Wert gelegt werden auf eine sinnvolle Synthese von Funktionalit3t und Erscheinungsbild (Optik).Dies muss keinesfalls zu Mehrkosten ftihren, kann jedoch durch klare Gliederungen und Zuordnungen von Leitungskhrungen die Zuganglichkeit und damit die Bedienung und Wartung wesentlich erleichtem. Die Lebensdauer von technischen Ausriistungen ist ebenfalls ein Punkt, der unter dem Gesichtspunkt einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung abgewogen und entschieden werden muss. Als Beispiel seien Gasmotoren genannt. Modifizierte Fahrzeugmotoren sind preisgiinstig, haben aber nur eine Lebensdauer von beispielsweise 10000 Bh. Robuste Industriemotoren hingegen sind teuer, haben aber eine Lebensdauer von mehr als 80000 Bh und erreichen eine Verfiigbarkeit von 7500 Bh/a und mehr. Ein wichtiger Kostengesichtspunkt ist auch die Frage des Werkstoffes fur Rohrleitungen, Rechen, Raumer usw.. Hier hat sich in den letzten Jahren in zunehmendem MaBe der Werkstoff nichtrostender Stahl, insbesondere der sogenannte V4A-Edelstahl, Werkstoff 1.4571, durchgesetzt, weil sich dieser Werkstoff hinsichtlich auBerer wie innerer Korrosionsbestandigkeit und des Unterhaltungsaufwandes im Sinne von Gesamtkostenbetrachtungen giinstiger darstellt als Werkstoffe wie beschichteter Normalstahl oder verzinkter Stahl. Hierauf wird an spaterer Stelle nochmals eingegangen. Die technische Ausriistung sollte so gestaltet sein, dass Energie- und Stoffeinsatz auf das erforderliche MindestmaB begrenzt werden. Dadurch werden einerseits Ressourcen geschont und andererseits die Emissionen von umweltbelastenden Einfliissen (Abwarme, C02-Emissionen,Gewasseraufheizungen, Reststoffe usw.) reduziert. Auch an dieser Stelle greift das bereits zuvor aufgezeigte Beispiel bei der Wahl des Stabilisierungsverfahrens.Eine Belebungsanlage mit aerob-simultaner Stabilisierung verursacht indirekt durch Stromerzeugung auf der Basis fossiler Brennstoffe eine um ca. 22 % hohere C0,-Emission als eine Belebungsanlage mit getrennter Schlammstabilisierung in einer Faulungsanlage. Die C02-Bilanzverschiebt sich noch weiter zugunsten der Faulung, wenn das erzeugte Faulgas verstromt wird. Faulgas zahlt zu den regenerativen Energien - und ist somit C02-neutral-, so dass bei einer Eigenstromerzeugungsrate von ca. 50% (bei 18 1/E x d Faulgasanfall und einem spezifischen Energieverbrauch von 30 kWh/E x a) die C02-Emissionenfur die Stromerzeugung um weitere 50 % reduziert werden konnen.

270

I

12 Anforderungen an die technische/maschinelle Ausriistung von Schlammbehandlungsanlagen

12.3

Fallbeispiele zu Anforderungen und Lesungen bei technischen Ausrustungen der Schlarnrnbehandlung 12.3.1

Rohschlarnrnbehandlung 12.3.1.1

Allgerneines

Das Ziel, die Schlammmenge soweit wie moglich zu minimieren, beginnt mit dem Rohschlammabzug. Da Primarschlamm und Uberschussschlamm grundsatzlich unterschiedliche Beschaffenheiten, vor allem jedoch unterschiedliche Eindickeigenschaften aufweisen, ist der strategische Ansatz zur Erlangung von hohen Feststoffgehalten unterschiedlich. Aufgrund des hohen Wassergehaltes des Uberschussschlammes und seiner geringen Neigung zur statischen Eindickung ist eine gemeinsame Eindickung des Rohschlammes - wie friiher iiblicherweise durch Ruckfuhrung des Uberschussschlammes in die Vorklarung praktiziert - heute nicht mehr zielfuhrend. Primarschlamm und Uberschussschlamm sollten vielmehr getrennt abgezogen und behandelt werden. Ein wesentlicher Grund fur die Notwendigkeit zur getrennten Behandlung der Schlammstrome liegt in dem geanderten Verhaltnis zwischen Primar- und Uberschussschlammanfall zugunsten des Anteiles des Uberschussschlammes durch Magnahmen zur weitergehenden Abwasserreinigung.Wahrend friiher von 45 g TR/E x d Primarschlamm und 35 g TR/E x d Uberschussschlamm ausgegangen wurde, wird der Primarschlammanfall heute im Hinblick auf verkurzte Aufenthaltszeiten in der Vorklarung mit nur noch ca. 35 g TR/E x d, der Uberschussschlammanfall jedoch mit rund 40 g TR/E x d angenommen. Das heiBt der Anteil des relativ dunnen Uberschussschlammes hat sich gegeniiber klassischen Bemessungsansatzen um ca. 15 % erhoht. Er erhoht sich dariiber hinaus in dem MaBe, in dem Schlamm durch zusatzliche MaBnahmen (P-Fallung,Filtration, nachgeschaltete Denitrifikation usw.) anfallt. Da diese Schlamme in der Regel - wie zuvor bereits erw&nt - schlechte Eindickeigenschaften aufweisen, ist es unumganglich, das Volumen dieser Schlamme durch geeignete MaBnahmen zu vermindern. 12.3.1.2

Prirnilrschlarnrnabzug und -eindickung

Primarschlamm lasst sich statisch problemlos auf 5 bis 8 % TR eindicken [2].5 % Feststoffgehalt lassen sich mit gut eindickbarem Schlamm bereits in entsprechend bemessenen Schlammtrichtern von Vorklarbecken - auch bei Aufenthaltszeiten von lediglich einer Stunde - erreichen, so dass unter giinstigen Voraussetzungen auf zusatzliche statische Primarschlammeindicker verzichtet werden kann. Voraussetzung hierfiir ist jedoch, dass eine entsprechende Abzugsvorrichtung installiert wird, durch die der Abzug groBer Mengen nicht ausreichend eingedickten Schlammes oder ein Durchbrechen von Schlammwasser verhindert wird. Abbildung 12.2 zeigt ein als geschlossenes System ausgebildetes Primarschlammabzugssystem - keine Geruchsproblematik, aber auch keine Moglichkeit der visuellen Kontrolle! -, bei dem die Abzugsleitungen direkt mit der Pumpe verbunden sind.

72.3 Fallbeispiele zu Anforderungen und losungen bei technischenAusriistungen dcr Schlammbehandlung

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Zur Schlarnrnbahmdluna

Abb. 12.2

Primarschlammabzug mit Dichtesteuerung

Als Pumpen kommen regelbare Verdrangerpumpen (Exzenterschneckenpumpen, Drehkolbenpumpen) zum Einsatz, denen ein Zerkleinerer vorgeschaltet werden sollte. Die Abzugspumpe geht nach Offnung eines Schiebers in Betrieb, wobei mit Hilfe der Dichtemessung der aktuelle Feststoffgehalt des Primarschlammes ermittelt wird. Liegt dieser iiber dem gewahlten unteren zulassigen Grenzwert, bleibt die Pumpe in Betrieb. Je nach positiver Abweichung vom Grenzwert wird der Forderstrom geregelt. Fdlt die Dichte unter den Grenzwert, offnet der nachste Abzugsschieber und der vorherige Schieber schlieBt. Bleibt der Grenzwert unterschritten, schaltet die Pumpe ab und der Schieber wird ebenfalls geschlossen. Mit einer Zeitschaltung (KS) wird nach einem Zeitintervall - das gem213 den entsprechenden Betriebserfahrungen festzulegen ist - der Dichtemessvorgang und der Primarschlammabzug emeut betrieben. Bei Rechteckbecken mit Intervallraumem ist eine Zeitschaltung vorteilhafi, die nach Abschluss des Rtiumweges eine ausreichende Kompressionszeit sichert, bevor der Primarschlammabzug beginnt. Zu beachten ist hierbei, dass die Offnungs- und SchlieBzeiten der automatisch beatigten Abzugsschieber (Schiebermit E-Antrieb oder pneumatisch betiitigte Schieber)kurz sind, damit nach dem Stellbefehl ,,nicht unnotig dunner" Schlamm abflieBt. Das Dichtemessgerat ist bei diesem Abzugsverfahren so dicht wie moglich hinter der Abzugsstelle einzubauen, damit die in der Rohrleitung zwischen Trichter und Messgerat befindliche Schlammmenge moglichst gering ist, weil dieser Schlamm einen TR-Gehalt unterhalb des Grenzwertes aufweist.

272

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72 Anforderungen an die technischelmaschinelle Ausrustung von Schlammbehandlungsanlagen

Bei kleineren Anlagen kann es bei dieser Art des quasi-kontinuierlichen Primarschlammabzuges zu Dimensionierungsproblemen bei Pumpen und Rohrleitungen fiihren, weil die abzuziehenden Schlammmengen zu gering sind. In solchen Fdlen empfiehlt sich eine Schlammabzugsregulierung unter Einbindung einer Pumpenvorlage. Bei intervallweise geraumten Rechteckbecken ist die Integration der Raumerfahrt zu beriicksichtigen. In Primarschlammeindickern konnen problemlos 5 % Feststoffgehalt und mehr erreicht werden. Hierbei ist allerdings darauf zu achten, dass der Schlamm zur Geruchsbildung neigt und der Eindicker und die nachfolgenden Ausriistungen geruchsgekapselt ausgefiihrt werden sollten. Abzug von Uberschussschlarnrn und rnaschinelle Uberschussschlarnrnvoreindickung

12.3.1.3

Uberschussschlamm fallt kontinuierlich an mit einem Feststoffgehaltvon etwa 0,8 bis 1 %. Mit einer statischen Uberschussschlammvoreindickung konnen durchschnittlich nur weniger als 4% TR erreicht werden [2,3], so dass im Hinblick auf die durch MaBnahmen zur weitergehenden Abwasserreinigung groBer gewordenen Mengen dieses diinnen Schlammes heute fast ausschlieBlich Verfahren zur maschinellen Uberschussschlammvoreindickungeingesetzt werden. Die Uberschussschlammentnahme geschieht vorteilhaftenveise derart, dass der Schlamm mittels regelbarer Verdrangerpumpen in Verbindung mit einer Schlammmengenmessung kontinuierlich aus dem Riicklaufschlammstrom entnommen wird und die Aggregate zur maschinellen Uberschussschlammeindickung direkt beschickt werden. Die gangigen Verfahren zur maschinellen Uberschussschlammeindickung sind in Tab. 12.2 aufgelistet. Von den aufgezeigten Verfahren sind insbesondere SiebreaktorenlSeihbander und Zentrifugen praxisrelevant, die Flotation spielt derzeit bei der Behandlung kommunaler Abwasserschlamme nur eine untergeordnete Rolle. Siebreaktorenlseihbander und Zentrifugen sind zur Erfiillung der Anforderungen an eine weitgehende Eindickung als gleichwertig anzusehen. Zentrifugen konnen in der Regel ohne Flockungsmittel betrieben werden, haben jedoch einen relativ hohen spezifischen Energieverbrauch. SiebreaktorenlSeihbander hingegen benotigen weitaus weniger Energie, miissen jedoch in jedem Fall mit Flockungsmitteln betrieben werden. Tab. 12.2

Verfahren zur maschinellen Uberschussschlarnrneindickung

Verfahren

Erreichbarer Eindickgrad (% TR)

Entspannungsflotation Siebreaktoren/Seihbander rnit Einsatz von Flockungsrnitteln Zentrifugen: ohne Einsatz von Flockungsrnitteln rnit Einsatz von Flockungsrnitteln

4-6

5-8 (10)

4.5-7 >6

72.3 Fallbeispielezu Anforderungen und Losungen bei technischenAusriistungen der Schlammbehondlung

Die Entscheidung, welches Aggregat zum Einsatz kommt, hangt von den ubrigen Randbedingungen der Schlammbehandlung und -entwSsserungab und muss durch einen Wirtschaftlichkeitsvergleich g e h d e n werden. Wichtig und entscheidend dabei ist, dass die Anlagen zur maschinellen Uberschussschlammvoreindickung weitestgehend im Automatikbetrieb uber 24 h - auch bei Nichtbesetzung der Anlage - betrieben werden konnen. Wenn dies bei kleineren Anlagen - aus welchen Griinden auch immer - nicht moglich ist, muss der Uberschussschlamm im System zwischengespeichert werden. Dies bedingt dann allerdings, dass auch die Faulung nicht kontinuierlich uber 24 h beschickt werden kann. Neben dem erreichbaren Feststoffgehalt ist bei Anlagen zur maschinellen Uberschussschlammvoreindickung gleichermagen der Abscheidegrad von Bedeutung, das heiBt die Ruckbelastung der Belebungsanlage durch das Zentrat (Klarphase), die zu einer ungewollten Anreicherung von Feststoffen und einer ubermai3ig hohen organischen Sekundarbelastung fiihren kann. Diesem Sachverhalt ist unter betrieblichen Gesichtspunkten bei der Auswahl und Festlegung der Maschinentechnik fur eine Anlage zur maschinellen Uberschussschlammvoreindickung besondere Aufmerksamkeit zu widmen [4]. Die frachtbezogene Regelung der Beschickung von Eindickaggregaten (Schlamm und Flockungsmittel) hat in der Vergangenheit in vielen Fdlen nicht zufriedenstellend funktioniert. In der Regel wird daher auf der Grundlage von Betriebserfahrungen mit einer konstanten Durchsatzleistungund einem einmal optimierten Feststoff-Flokkungsmittel-Verhaltnis gefahren. Andern sich die Eigenschaften des Schlammes grundlegend, muss die Beschickung (Schlammund Flockungsmittel) gleichermagen entsprechend geandert werden. In neuerer Zeit stehen jedoch brauchbare Dichtemessgerate zur Verfugung, mit denen eine zufriedenstellende frachtbezogene Beschickung moglich ist.

12.3.1.4

Anforderungen an Purnpen, Arrnaturen und Rohrleitungen

Alle zur maschinellen Ausriistung gehorenden Details mussen ihre Aufgabe gemaB den Anforderungen erfiillen. Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, dass neben dem richtigen Pumpentyp fur die jeweilige rheologische Beschaffenheit des Schlammes auch der richtige Regelbereich und eine ausreichende Druckstufe ausgewahlt wird. Wenn die Forderstrome fur einen kontinuierlichen Betrieb zu gering werden, so dass der erforderliche Mindestdurchmesser fur Rohrleitungen - bei Schlammleitungen sollte die Nennweite DN 80 (in Sonderfglen auch DN 65) in Abhangigkeit von den Vorbehandlungsschritten in keinem Fall unterschritten werden - nicht mehr eingehalten werden kann, ist auf einen quasi-kontinuierlichen, das heiBt auf einen Intervallbetrieb, uberzugehen. Dabei sollten jedoch die Einschaltintervalle nicht zu haufig sein, da jedes Einschalten und Anfahren erhohten VerschleiB zur Folge hat. Fur den storungsfreien Betrieb von Verdrangerpumpen, Eindickmaschinen und weiteren Behandlungsstufen kann es ratsam bzw. erforderlich sein, Zerkleinerer vorzuschalten. Die Fliegeigenschafien von Klarschlammen andern sich mit dem Feststoffgehalt. Dies ist bei Primar- und Faulschlammen weniger von Bedeutung, jedoch von ganz entscheidender Bedeutung bei maschinell eingedickten Uberschussschlammen, da

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72 Anforderungen an die technische/maschinelle Ausriistung von Schlammbehandlungsanlagen

die scheinbare Viskositat von Uberschussschlamm mit zunehmendem Feststoffgehalt uberproportional ansteigt, wie Abb. 12.3 zeigt. Der erhohten Viskositat der Uberschussschlamme ist insbesondere bei der Auslegung von Pumpen und Rohrleitungen entsprechend Rechnung zu tragen [GI.Abbildung 12.3 zeigt sehr deutlich, dass sich die scheinbare Viskositat eines Uberschussschlammes bei einer Erhohung des Feststoffgehaltes von G auf 8 % mehr als verdoppelt. Dies hat entsprechende Auswirkungen auf die Druckverluste, was sowohl saugseitig - moglichst kurze Saugwege mit einfachen Rohrleitungsfiihrungen - wie auch druckseitig hinsichtlich der Forderhohen der Pumpen entsprechend zu beriicksichtigen ist. Bei kritischen Schlammen sind gegebenenfalls Viskositatsuntersuchungen als Grundlage fur die Auslegung der Forderaggregate angeraten. Auf die maschinelle Ausriistung der Faulung sowie die nachgeschalteten Anlagen zur Schlammbehandlung haben hohe Feststoffgehalte des Rohschlammes keinen derartig entscheidenden Einfluss, zum einen, weil durch die Faulung selbst der Feststoffgehalt um ca. ein Drittel reduziert wird, zum anderen, weil Faulschlamm hinsichtlich der scheinbaren Viskosittit ahnlich unkritisch zu sehen ist wie Primarschlamm. Automatisch arbeitende Armaturen sind so auszulegen, dass SchlieB- und Offnungszeiten den verfahrensgemagen Anspriichen geniigen. Armaturen, die haufig geoffnet und geschlossen werden, sind mit entsprechend verschleiBarmen und standfesten Dichtungen vorzusehen.

FS 2d

FS 5d

FS 10d

PS

Abb. 12.3

Veranderung der scheinbaren Viskositat in Abhangigkeit von Trockensubstanzgehalten und Stabilisierungszeit in Tagen [S]

72.3 Fallbeispielezu Anforderungen und Lasungen bei technischen Ausriistungen der Schlammbehandlung

Werkstoffe und Wanddicken der Rohrleitungen sind so zu wahlen, dass sie den mechanischen und chemischen Angriffen (innere und auBere Korrosionen) dauerhaft standhalten. Dabei werden in der Regel austenitische, nichtrostende Werkstoffe (Edelsttihle)bevorzugt. Aufgrund der hohen Korrosionsbest2ndigkeit dieses Werkstoffes werden Rohrleitungen aus Edelstahl mit - im Vergleich zu Normalstahl geringeren Wanddicken eingesetzt, sofem dem nicht besonders abrasive Eigenschaften des Fordermediums entgegenstehen. Mit dem Einsatz von Edelstahl, insbesondereWerkstoff 1.4571, wird im Normalfall der Korrosiviat der Medien im Bereich der Schlammbehandlung ausreichend Rechnung getragen. Kritisch sind jedoch auch bei EdelsWen hohe Chloridgehalte (2 800 mg/l bei 1.4571), so dass hier unter Umsttinden besondere Legierungen eingesetzt werden miissen. Fur die Korrosionsbestandigkeit von Edelstahlrohrleitungen ist die sachgerechte Verarbeitung (SchweiBung)von besonderer Bedeutung, da sonst der Schwachpunkt in der SchweiBnahtliegt. Es empfiehlt sich daher, soweit als moglich vorzufertigen,da eine Werkstattnaht immer einfacher herzustellen ist als eine Baustellennaht.

12.3.2 Aerobe Schlammstabilisierung

Mit Einfiihrung der zielgerichteten Stickstoffeliminationwerden Belebungsanlagen mit einem Schlammalter bemessen, das dem von Stabilisierungsanlagen nahe kommt. Wie bereits zuvor erwahnt, sind in Konsequenz dieser Entwicklung, vor allem bei Neuanlagen in den neuen Bundeslandern, Stabilisierungsanlagenbis hin zu AusbaugroBen von 100 000 EW geplant und realisiert worden. Solche Anlagen entsprechen weder betriebswirtschaftlichen Kostenkriterien [7] noch einer enveiterten volkswirtschaftlichen Betrachtung, bei der neben den reinen Stromkosten auch die Umweltbelastungen durch Kraftwerksabwarme und COz-AusstoBfur den Mehrbedarf an elektrischer Energie gerechnet werden miissen [l]. Die besonderen Anforderungen an die Ausriistung einer aerob-simultanen Schlammstabilisierungsanlage gelten somit insbesondere fiir das Beluftungssystem. Fiir kleinere Anlagen kommen vielfach Oberflachenbeliifter zum Einsatz, bei groBeren Anlagen hingegen feinblasige Druckluftbeluftungssysteme, bei denen die Druckluft durch Drehkolbengeblase oder Turboverdichter erzeugt wird. Der wesentliche Unterschied zwischen Oberflachenbeliiftem und feinblasigen Druckluftbeliiftungssystemen liegt einerseits in den Investitionskosten und andererseits in den Sauerstoffertragswerten. Oberflachenbeliiftungssystemesind preisgiinstiger als feinblasige Drudduftbeliiftungssysteme, haben allerdings einen niedrigeren Sauerstoffertragswert (- 1,s2,l kg 02/kWh unter Reinwasserbedingungen [S]). Bei feinblasigen Druckluftbeliiftungssystemen verhalt es sich genau umgekehrt, die Investitionskosten sind hoher, gleichermagen jedoch auch der Sauerstoffertragswert(- 4-45 kg Oz/kWh unter Reinwasserbedingungen [8]).

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12 Anforderungen an die technische/maschinelle Ausrustung von Schlammbehandlungsanlagen

Ahnlich verhalt es sich auch bei einem Vergleich der Luftverdichter. Drehkolbengeblase sind sehr robuste und bewahrte Maschinen mit spezifisch geringeren Investitionskosten im Vergleich zu Turboverdichtern, haben allerdings einen etwas schlechteren Wirkungsgrad. Die Wahl des Beluftungssystems wie auch der Verdichterart sollte daher in Verbindung mit einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung getroffen werden. Als grober Anhalt kann davon ausgegangen werden, dass Turboverdichter ab einem Luftbedarf von etwa 15 000- 20 000 mh/h wirtschaftlicher sind als Drehkolbengeblase. Fur die hier behandelten aerob-simultanen Stabilisierungsanlagen ist dies allerdings kaum relevant, da es sich bei diesen Anlagen gemafS dem zuvor dargeleg ten Sachverhalt in der Regel um kleinere Anlagen (< 30 000 E EW) handelt, bei denen in vielen Fallen Oberflachenbelufter eingesetzt werden bzw. bei feinblasigen Druckluftbeluftungssystemen Drehkolbengeblase. Von besonderer Bedeutung ist die Regelbandbreite des Beliiftungssystemes, die im Hinblick auf eine betriebssichere Denitrifikation mindestens im Verhaltnis von 1 : l O zwischen und hX ausgelegt werden sollte. Bei der getrennten aeroben Stabilisierungdurch aerob-thermophile Schlammstabilisierung ist vor allen Dingen das Verfahren des Sauerstoffeintragsderart zu gestalten, dass eine hohe Sauerstoffausnutzung gewahrleistet ist, damit die resultierende Abluft so gering wie moglich gehalten werden kann. Dadurch kann die Warme, die beim Stofhechselprozess aerober Bakterien erzeugt wird, die sogenannte biogene Warmetonung, weitestgehend im System gehalten werden. Sie reicht dann auch im Winter zur Einhaltung thermophiler Prozessbedingungen aus, ohne Fremdwarme zufiihren zu mussen. Bei der aerob-thermophilen Schlammstabilisierung entsteht in der Regel Schaum, in dem ein erheblicher Teil der Stabilisierungsreaktionablauft. Eine Schaumschicht uber dem Schlamm als Warmepuffer ist deshalb einerseits gewiinscht, andererseits ist das Mag der Schaumschicht jedoch zu begrenzen. Dazu konnen mechanische Schaumschneider eingesetzt werden oder aber der Schaum wird intern oder extern abgezogen und mit dem Substrat wieder in den Reaktor gefordert 191.

+

enin

12.3.3 Anaerobe Schlarnmstabilisierung (Faulung) 12.3.3.1 Allgerneines

Das vorrangige Ziel der anaeroben Schlammstabilisierungist die Verminderung der organischen Schlamminhaltsstoffe (Feststoffe)durch biologischen Stoffwechsel bei gleichzeitiger Verbesserung der Schlammeigenschaften im Hinblick auf die Entwasserbarkeit, Lagerungsfahigkeit, Geruchsemissionen und sonstige Handhabbarkeit. Dieses Ziel wird durch die Verfahrenswahl selbst angestrebt, stellt aber Anspriiche an die technische Ausriistung, um den Prozess optimal mit hoher Faulgasausbeute betreiben zu konnen.

12.3 Fallbeispick zu Anjorderungen und Lasungen bei technischen Ausriistungen der Schlammbehandlung

12.3.3.2 Beschickung

Faulbehdter werden heute als volldurchrnischte Ausschwemmreaktoren betrieben. Die B e s c h i h g sollte daher moglichst kontinuierlich und gleichmaigig uber 24 h erfolgen. In Anlagen ab etwa 200 m3/d Rohschlammanfall ist dies unter Einhaltung von Mindestnennweiten und Flieggeschwindigkeiten in dem Beschickungssystem moglich, ohne dass Ablagerungen oder Verstopfungen zu befiirchten sind. Bei kleineren Anlagen, bei denen dies im Hinblick auf die zuvor erwtihnten Kriterien nicht moglich ist, sollte der Rohschlamm gleichmagig uber den Tag verteilt quasi-kontinuierlich in den Faulbehalter gefordert werden. Generell sollte der Rohschlamm zur Erzielung einer gleichmagigen Substratverteilung schon mit dem Faulschlamrn vermischt in den Faulbehalter eingebracht werden. Dies wird in der Regel dadurch realisiert, indem der Rohschlamm mittels regelbarer Verdrangerpumpen uber einen Mischinjektor in den Heizschlammumwalzkreislauf eingespeist wird. Das Mischungsverhaltnis zwischen Rohschlamm und Faulschlamm sollte etwa 1:lO betragen.

12.3.3.3 Faulbehllter-Heizung

Die optimale Betriebstemperatur der mesophilen Faulung liegt im Bereich von 35 bis 37 "C. Dazu muss der Rohschlamm aufgeheizt werden und die Transmissionsverluste des Faulbehalters und der Rohrleitungen mussen ausgeglichen werden. Urn eine wirtschaftliche Dimensionierung und gleichmagige Regelung der Heizung im optimalen Bereich einzuhalten, erfolgt die Erwarmung nicht nach temporaren Bedurfnissen der Rohschlammmenge und -temperatur, sondem konstant, sinnvollerweise uber 24 h/d. Unter Ausnutzung der relativ grogen Warmeausgleichsfunktiondes Faulbehalters wird im Umwdzverfahren mittels eines uber Pumpen betriebenen Heizschlammumwfzkreislaufes beheizt. In diesen Kreislauf ist ein Gegenstrom-Warmetauschermit hoher spezifischer Warmeiibertagungskapazitat eingebaut. Die dam erforderliche Turbulenz im schlamm-und wassediihrenden Rohr ist durch eine Flieggeschwindigkeit von ca. 1,5 m/s sicherzustellen. Pumpen und Rohrleitungen sind entsprechend zu dimensionieren. Fur die Heizschlammurnwalzung werden in der Regel Kreiselpumpen (Kanalrad oder Freistromrad) eingesetzt. Der in den Faulbehalter geforderte Rohschlamm und die Transmissionsverluste senken die Temperatur im Faulbehdter geringfiigig ab. Aufgrund geringer Unterschiede zur Solltemperatur kann eine exakte Temperaturmessung irn Faulbehalter selbst durch Stromungseinflusse oder Ablagerungen am Messrohr problematisch sein. Vorteilhaft ist es deshalb, die Regelgroge Faulbehdtertemperatur stellvertretend unter gleichbleibenden Bedingungen vor dem Warrnetauscher - bzw. dem Mischinjektor - zu messen. Je nach Abweichung vom Sollwert flieigt dem Warmetauscher, geregelt durch die Heizwasser-Beimischeinrichtung,mehr oder weniger thermische Energie in Form von Heizwasser (90/70"C) zu. Das Heizwasser wird im Warmetauscher abgekddt und fliegt uber den Verteiler zum Warmeerzeuger (Heizkessel bzw. BHKW) zu-

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72 Anforderungen an die technischelmaschinelle Ausriistung von Schlammbehandlungsanlagen

riick. Bei Kesselanlagen ist zur Verhinderung von Kondensatbildung auf der Abgasseite die Rucklauftemperaturzum Kessel immer auf einem Niveau 2 GO "C zu halten. Dazu wird eine Rucklaufanhebungvorgesehen, die im Bedarfsfall heiBes Wasser aus dem Vorlauf dem Rucklauf beimischt. 12.3.3.4

Durchmischung (Umwalzung) des FaulbehBlters

Zur gleichmagigen Verteilung von Substrat (Rohschlamm)und Zwischenprodukten des biologischen Stoffkechsels (Intermediate), zur Vermeidung von Ablagerungen und Schwimmdeckenbildungsowie fur eine schnelle Entgasung ist eine ausreichende Durchmischung bzw. Umwalzung des Faulbehalterinhaltes erforderlich. Das Umwalzverfahren sollte so ausgelegt sind, dass der gesamte Faulrauminhalt pro Tag mindestens funfmal umgesetzt wird. Ein Teil der erforderlichen Umwalzung wird durch das Heizschlamm-Umwalzsystem geleistet. Fur die eigentliche, interne Umwalzung stehen folgende Umwalzverfahren zur Verfugung: augenliegende Pumpenumwalzung Faulschlammmischer Gaseinpressung Ruhnverke Fur eine ausreichend intensive Umwalzung ist fur die verschiedenen Umwalzverfahren in etwa von den in Tab. 12.3 dargestellten Energiedichten auszugehen. Bei der Wahl des Umwalzverfahrens ist zu beachten, dass das zum Einsatz kommende Umwalzverfahren in enger Verbindung mit der FaulbehaltergroISe und der Faulbehalterform zu sehen ist. Beides kann nicht losgelost voneinander betrachtet werden. Bei kleineren Faulbehaltern erfullen Pumpenumwalzungen oder Ruhnverke mit fliegender Welle die Anforderungen an die Durchmischung. Insbesondere Flugelriihnverke werden aufgrund ihrer geringen spezifischen Energiedichte sowie giinstiger Investitionskostenin jungster Zeit vermehrt eingesetzt. Langzeiterfahrungen mit diesem Umwalzverfahren - die bei den anderen Verfahren wie dem Faulschlammmischer zum Teil mehr als GO Jahre betragen - liegen allerdings noch nicht vor. Bei grogeren Faulbehaltern - insbesondere eiformigen Faulbehaltern - sind Faulschlammmischer mit der Moglichkeit zur Reversierbarkeitder Forderrichtung vorteilhaft, da iiber das Steigrohr ein definierter Schlammaustausch und damit eine wirTab. 12.3

Energiedichten fur verschiedene Faulbehalterumwalzsysterne

Faulbehalterurnwalzsystem augenliegende Purnpenurnwalzung (bis ca.2000 m3 FB-Volumen) Riihrwerke Faulschlarnrnrnischer ( h r jedes FB-Volurnen) Gaseinpressung (fur jedes FB-Volurnen)

Energiedichte (W/rn')

-

5,s

2.3 2-6 -6

c

72.3 Fallbeispielezu Anforderungen und Losungen bei technixhen Ausriistungen der Schlarnrnbehandlung

PrimPrschlamm

I

-.

A

herschut3schlarntn

v Abb. 12.4 Eiformiger Faulbehalter mit Umwalzung durch Faulschlammmischer (System Oswald Schulze)

kungsvolle Umwalzung moglich ist. Schwimmdecken lassen sich gezielt durch Forderung von unten nach oben und Aufspriihen auf die Schlammoberflachenwirksam bekampfen, so dass keine Behinderung des Faulgasaustrittes aufiritt. Die Gaseinpressung ist ein sehr wirkungsvolles, allerdings in der Regel sowohl unter dem Gesichtspunkt der Investition wie auch der Betriebskosten teures Verfahren. E s bietet sich besonders dort an, wo zylindrische Faulbehalter mit flacher Sohle und flacher Decke - das he& groger Oberflache - gewahlt werden. Abbildung 12.4 zeigt exemplarisch einen eiformigen Faulbehalter mit Faulschlammmischer und Heizschlammumwalzung uber auaenliegende Pumpen. Eine besondere Forderung an das gewahlte Umwdzverfahren besteht darin, dass notwendige Reparaturmaanahmen moglichst ohne eine Entleerung des Faulbehdters durchgefuhrt werden konnen, da es einen ungeheuren betrieblichen Aufwand darstellt, einen Faulbehalter entleeren zu miissen. E f i t wird diese Forderung fast ausnahmslos von Pumpenumwdzsystemen, dem Faulschlammmischer sowie der Gaseinpressung, von Rduwerken in der Regel nicht. 12.3.3.5

Sonstige Betriebssysterne bzw. Ausrilstungen fSlr die Faulung

Die Schwimmschlammproblematik innerhalb von Faulbehdtem hat sich in dem Mage relativiert, in dem die Rechenanlagen auf Haranlagen - Entwicklung vom Grob-Stabrechenzum Feinrechen - verbessert worden sind. Trotzdem sollte der Faulbehdter iiber ein Schwimmschlammabzugssystem verfiigen, durch das eine Schwimmdecke erfolgreich beseitigt werden kann. Das Schwimmschlammabzugssystem sollte dabei so ausgebildet sein, dass durch den Abzug kein Gas austritt, das das Bedienungspersonal gef&rdet.

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72 Anforderungen an die technische/maschinelle Ausriistung yon Schlammbehandlungsanlagen

Aus sicherheitstechnischen Erwagungen ist im Faulbehalter stets ein Uberdruck zu gewahrleisten, damit Luft-Sauerstoff nicht ungewollt eindringen kann. Aus diesem Grunde werden Faulbehalter heute nach dem Verdrangerprinzip betrieben, wobei der ausgefaulte Schlamm durch den eingebrachten Rohschlamm verdrangt wird, so dass der Innendruck konstant gehalten wird. In jungster Zeit mehren sich Falle, bei denen Faulbehalter zur Schaumentwicklung neigen und dadurch erheblich betriebliche Probleme verursachen. Diese Schaumentwicklung hat ihre Ursache in den meisten Fallen in Belebungsanlagen und vorgeschalteten anaeroben bzw. anoxischen Stufen, in denen sich eine Biozonose mit fadenformigen Organismen (Microthrix Parvicella) entwickelt, die mit dem Uberschussschlamm in den Faulbehalter gelangt und auch dort zur Schaumentwicklung neigt. Hierbei besteht die Gefahr, dass der sich bildende Schaum nur uber das Gassystem ausdringen kann. Zur Vermeidung dieser Problematik sollte daher bei volldurchmischten Reaktoren, bei denen kein Gradient bezuglich der Feststoffverteilung im Faulbehalter auftritt, ein Abzugssystem vorgesehen werden, bei dem der Faulschlamm von der Oberflache abgezogen bzw. verdrangt wird. Diese Betriebsweise hat den Vorteil, dass Schaum- und Schwimmstoffanteile standig mit dem Faulschlamm ausgeschleust werden. Aus Betriebssicherheitsgriinden sollte dennoch auf ein Schlammablassrohr, das bis in die untere Trichterspitze reicht, nicht verzichtet werden. Dariiber hinaus ist auch ein Grundablass vorzusehen. Bei Uber- oder Unterdruckbildung im Faulbehalter durch Verstopfungen oder Rohrleitungsbriiche konnen Schaden am Bauwerk auftreten. Um dieses zu verhindern, werden Uber- und Unterdrucksicherungen installiert, wofur sich insbesondere hydraulisch wirkende Sicherheitsstandrohreinrichtungenbewahrt haben. Faulbehalter mussen dariiber hinaus gegen Uberftillen mit einer unabsperrbaren Notiiberlaufleitung gesichert werden. In vielen Fallen werden Faulbehalter auBerdem mit einer Fullstandssonde ausgeriistet, die insbesondere bei Havarien, zum Beispiel Rohrleitungsbriichen,kurzfristig GegenmaBnahmen - automatisches SchlieBen von Schiebern - sicherstellen sollen.

12.3.4

Faulgasbehandlung und Faulgasverwertung

An die Faulgasbehandlung und -verwertungwerden eine Reihe von Anforderungen gestellt, die sich aus den ortlichen und anlagenspezifischen Bedingungen ergeben. Emissionsrelevante Anforderungen sind, wie in Abschnitt 12.2.2 genannt, aus dem Bundesimmissionsschutzgesetz, der TA-Luft und der TA-LArm abzuleiten. Auf anlagenspezifische Anforderungen an die Ausriistung wird im Rahmen dieses Beitrages aus Griinden des Umfanges nicht naher eingegangen, sondern vielmehr auf entsprechende Veroffentlichungen venviesen, wie zum Beispiel: Technische/wirtschaftliche Aspekte der Faulgasverwertung in Gasmotoren auf Klaranlagen im Zusammenwirken von Abwasserreinigung, Schlammbehand-

1 2 3 Fallbeispielezu Anforderungen und Losungen bei technischen Ausriistungen der Schlammbehandlung

lung, Energieautarkie und Beriicksichtigung weitergehender Emissionsaspekte [lo].

Die Praxis der Faulgasbewirtschaftung und -nutzung [ll]. In diesen Beitragen werden systematischAnforderungen, Losungen und Fallbeispiele zur Faulgasbehandlung und -verwertung dargestellt. 12.3.5 Nacheindickung

Durch den Prozess der Faulung wird der Feststoffgehalt um ca. ein Drittel reduziert, so dass der stabilisierte Faulschlammwieder aufkonzentriert werden kann bzw. muss. Dieses Ziel wird zurneist unter Ausnutzung der Schwerkraft in Nacheindickern erreicht. Behindert wird die Eindickung dabei durch Temperatureffekte und Faulgas, das in kleinsten Blaschen am verdrangten Faulschlamm haften geblieben ist bzw. gegebenenfalls auch durch biologische Nachreaktionen entstehen kann. Durch die Ausriistung von Eindickem mit Kralwerken wird der Schlamm derart durchldmmt, dass diese Gasblaschen abgelost werden. Ebenfalls wird beim Betrieb von Krahlwerken anhaftendes Schlammwasser von den Schlammpartikeln abgelost, wodurch die Trennung von Schlamm und Wasser unterstiitzt wird. Trotzdem funktioniert die Nacheindickung auf vielen Klaranlagen nicht zufriedenstellend, so dass die Nacheindicker mehr odes weniger nur als Schlammspeicher betrieben werden. Das uber dem Schlamm stehende Schlammwasser (Triibwasser) ist abzuziehen. Die Abzugseinrichtung fur das Schlarnmwasser sollte mit einer Triibungsmessung ausgestattet sein, die die jeweilige Grenzschicht zwischen Schlamm und Schlammwasser selbsMtig abtastet und den Abzug des Schlammwassers steuert. Die statische Eindickung kann durch eine vorgeschaltete Entgasung des Schlammes unterstiitzt werden. Dabei wird dem Faulschlamm das geloste Gas in einem Entgasungsbehalter durch Erzeugung von Unterdruck entzogen. Es wird berichtet, dass durch die Vorschaltung einer Vakuumentgasungsanlage, je nach Schlammbeschaffenheit und Ausgangsfeststoffgehalt, eine Verbesserung der Eindickung um 3050% erreicht werden kann. Die Wirtschaftlichkeitdes Einsatzes einer Vakuurnentgasung ist jedoch im Einzelfall zu priifen. 12.3.6 Schlammentwiisserung

Die generelle Anforderung an Anlagen zur Schlarnrnentwasserungist das Erreichen eines moglichst hohen Feststoffgehaltes im entwasserten Schlamm. Dieses ist je nach Verfihren nur mit unterschiedlichem Stoff- und Energieeinsatz moglich, wozu die drei klassischen Entwasserungsaggregate

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72 Anforderungen an die technischelmaschinelle Ausrijstung yon Schlammbehandlungsanlagen

Zentrifuge Bandfilterpresse Kammerfilterpresse/Membranfilterpresse zur Verfugung stehen. Der anzustrebende Entwasserungsgrad hangt im Wesentlichen vom weiteren Verwertungs-/Entsorgungspfad ab. Auf die daraus resultierenden Anforderungen ist die Anlage zur Faulschlammentwasserung abzustimmen. Von Bedeutung fur die Wahl des Entwasserungsverfahrensist auch die GroBenordnung der Klaranlage sowie die vorgesehene Betriebszeit der Entwasserungsanlage. Die Leistungsfahigkeit verschiedener Entwasserungsaggregate ist in Tab. 12.4 dargestellt. Im Hinblick auf die derzeit noch mogliche Deponierung von - lediglich stabilisiertem und entwassertem - Klarschlamm haben die Kammerfilterpressebzw. die Membranfilterpresse eine groBe Bedeutung, weil sie am ehesten in der Lage sind, die fur die Deponierfahigkeit des Schlammes geforderten Kennwerte zu erreichen. Die diskontinuierliche Arbeitsweise als Nachteil tritt dabei in den Hintergrund. Generell gewinnt die Entwasserung - und hier insbesondere die leistungsfahigsten und wirtschaftlichsten Verfahren - im Hinblick auf die in Zukunft verst;irkt zur Anwendung kommenden thermischen Klarschlammbehandlungsverfahren (Veraschung) zunehmend an Bedeutung, da Anlagen zur Veraschung von Schlammen mit hohen Feststoffgehalten okonomisch gtinstiger betrieben werden konnen [ 131.

Tab. 12.4

Entwasserungsrnerkrnaleverschiedener Entwasserungsaggregate (1 21

Entwasserungsaggregat

Kammerfilterpresse

Erreichbare Spezifischer Trockenriick- Energiestande Verbrauch

Konditionierung

Ca(OH), [kg/m’*l

FeCI, [k/mJ*l

Polymer [gWS/kgTR*l

(*) [”/.I

(**)[kWh/mJ]

-15

-5-7,s

-

-28-40

-

-

-

Membranfilterpresse

-

Bandfilterpresse

-

-

Hochdruckbandfilterpresse

-

-

Dekanterl Zentrifuge

-

-

Hochleistungszentrifuge

-

-

3-4

1-1,s

-

-

3,O-8,0

-

20-32

-

4.0-8,0

-

28-40

-

3,s-5,0 2,5-5,0 2.5-5,O

(”) = abhangig von der Entwasserbarkeit des Schlammes (**) = abhangig vom Durchsatz (m’/h) (***)= bei Polymerkonditionierung nur bedingt

-

-

35-45 20-32 30-40

Deponierfahigkeit

1.5

P**

1,2 0,3-0,5

ia nein/bedingt

0,s

neinlbedingt

1,8-2,0

nein/bedingt

1,8-2.2

nein/bedingt

72.3 Fallbeispielezu Anforderungen und Lasungen bei technischen Ausriistungen der Schlarnrnbehandlung

Fur die landwirtschaftlicheKlarschlammverwertung kann der Schlamm im nassen Zustand als Nassschlamm direkt aus dem Eindicker abgegeben werden. Hierbei sind aus betriebswirtschaftlicherSicht jedoch vor allem die Transportkosten zwischen Klaradage und Ausbringungsflache vergleichend zu den Kosten der Entwasserung in Ansatz zu bringen. Dariiber hinaus ist in zunehmendem MaBe - wie eingangs bereits erwahnt - die emissionsrelevanteGrundwasserbelastungzu beriicksichtigen,die sich durch den Eintrag von Stickstoff im Schlammwasser ergibt. Andererseits muss der Entwasserungsgrad bei landwirtschaftlicher Verwertung nicht den Standsicherheitsrichtlinienvon Deponien entsprechen, das heiBt fur derartige Einsatzfille eignen sich Bandfilterpressen oder Entwasserungszentrifugen gut fiir die Entwasserung. Bei Deponierung resultieren die Anforderungen an den entwasserten Schlamm aus den Standsicherheitsbedingungen der Deponie, die neben einem ausreichend hohen Feststoffgehalt Anforderungen an die Scherfestigkeit von 20 kN/m2h r Mischdeponien und 25 kN/mZfiir Monodeponien fordem. Mit herkommlichen Bandfilterpressen und Zentrifugen sind diese Werte nicht einzuhalten, das heiiSt eine Deponierfahigkeit ist nicht bzw. nur bedingt gegeben, so dass eine Inertstoffkonditionierung nachgeschaltet werden muss. Als Inertstoffe werden vorzugsweise Kalk oder Riickstiinde aus Elektrofilteranlagen venvendet, und es muss durch die Zugabe dieser Konditionierungsmitteleine Reststoffvermehrung akzeptiert werden. Bei Venvendung von Filterstiiuben entsteht dabei ein simultanes Entsorgungskonzept. Kammerfilterpressenerreichenbei Kalk-Eisenchlorid-Konditionierungublicherweise die heutigen Anforderungen an die Deponierfahigkeit. Da jedoch die Deponierung mittelfristig in Frage gestellt ist und die Anpassung an geanderte Entsorgungspfade beriicksichtigt werden muss, bieten sich insbesonderebei Neuadagen Membranfdterpressen an, bei denen der zu entwassemde Faulschlamm mit Polymeren konditioniert wird. Der entwasserte Schlamm ehillt dabei sowohl die Voraussetzungen fur die Deponierfahigkeit wie auch fur nachgeschaltete Verfahren zur thermischen Venvertung, was bei einer Kalk-Eisen-Konditionierungnicht unbedingt gegeben ist. Der Wirkungsgrad von Entwasserungsanlagenbzw. das Entwasserungszielwird in starkem MaBe durch die richtige Anwendung eines geeigneten Konditionierungsmittels beeinflusst. Die Optimienmg der Betriebsweise von Entwassenmgsanlagen lasst sich daher vereinfacht wie folgt zusammenfassen: ,,Das richtige Konditionierungsmittelin der richtigen Menge an der richtigen Stelle eingesetzt ist das A und 0, einerseits fiir ein zufriedenstellendes Entwasserungsergebnis und andererseits fiir vertretbaren Aufwand, denn die Kosten, insbesondere fur Polymere, konnen bis zu 50 % der gesamten Betriebskosten betragen." Es versteht sich dabei von selbst, dass eine einmal unter Zuhilfenahme von Versuchen gefundene optimale Betriebseinstellung fiir eine Entwasserungsanlage keinen Dauerzustand darstellt, einerseits, weil der Schlamm sich andem kann, andererseits, weil die Polymere sich andem konnen und weil auch die betrieblichen Einstellungen sich verandem konnen,

I

283

284

I

12 Anforderungen an die technische/maschinelle Ausriistung yon Schlommbehandlungsonlagen

das heigt Anlagen zur Entwasserungmussen turnusrnafiig uberpriift und gegebenenfalls von neuern optimiert werden. Stoffe zur Schlammkonditionierung,wie zum Beispiel Eisenchlorid oder Salzsaure zur Filtertuchspulung, unterliegen den Anforderungen fur das Abfullen, Lagern und Dosieren wassergefhrdender Stoffe (VaWS).Diese Anforderungen stellen besondere Bedingungen an die technische Ausriistung von Konditionierungsanlagen, die ausnahrnslos einzuhalten bzw. zu erfullen sind.

12.4

Zusammenfassung

Die stete Steigerung der Anforderungen an die Leistungsfahigkeit unserer Klaranlagen hat im Ergebnis dazu gefuhrt, dass eine heutige moderne Klaranlage uberspitzt forrnuliert mehr eine ,,Maschinenfabrik denn ein ,,Bauwerk darstellt. Die Maschinentechnik - abgeleitet aus der gewahlten Verfahrenstechnik - bestimrnt den Bau und die elektrotechnische Ausriistung. Die daraus abzuleitenden Anforderungen an die technischelmaschinelle Ausriistung von Schlammbehandlungsanlagen sind nicht nur mehr unter dem Gesichtspunkt der Funktionsanforderungen des Betriebes und der darin eingebetteten Erfullung der gesetzten technischen Ziele mit der gebotenen bzw. angestrebten Betriebssicherheit zu sehen. Vielmehr sind bei der heute gebotenen globalen Betrachtungsweise auch emissions- und irnrnissionsrelevante Aspekte der Verfahren zur Schlammbehandlung selbst wie auch an der Entsorgungsstelle des Schlarnmes und der Stromerzeugung zu beriicksichtigen. Die Wahl der Verfahren und die Erfuung der resultierenden Anforderungen an die Ausriistung mussen sorgfaltiger denn je einer Gesamtkostenbetrachtung unter Einbeziehung aller Kostenfaktoren unterworfen werden. Dabei sollten auch volkswirtschaftliche Faktoren bewertend eingehen. Leider erfolgt dies derzeit aufgrund leerer Kassen bei den Betreibern einerseits sowie sehr harter Wettbewerbsbedingungen andererseits in vielen Fallen nicht. In einer Zeit, in der speicherprograrnmierbare Steuerungen und Computer scheinbar alles ermoglichen, sollte der Automatisierungsgrad fur technische Ausriistungen trotzdem nicht uberzogen werden rnit der MalSgabe. dass nach wie vor der gesunde Menschenverstand und Plausibilitatskontrollen vor Ort vom Betriebspersonal gefordert werden. Literatur [l] NIEHOFF, H.-H.: ,,Entwicklungen und Tendenzen im Bereich der Schlammbehandlung", aus

Wassergute- und Abfallforschung, Innovation zu jeder Zeit, Berichte aus Wassergiite- und Abfallwirtschaft, Technische Universitat Munchen, Band 125, 1996 S. 98- 127. [2] KALBSKOPF, K.-H.: Jtatische Eindickung", ATV-Handbuch Mdrschlamrn, 4.Auflage, Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 1996. [ 3 ] KANSY, D.: Vergleichende Untersuchungen verschiedener Velfahren zur Aufkonzentrierung von Uberschussschlamm, Dissertation Universiat Hannover, 1979.

12.4 Zusammenfassung I285

[4]DICHTL, N.: Verfahren zur Vor- und Nacheindickung von I
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13

Korrosion und VerschleiB Wolfgang Prechtl

13.1 Begrifibestirnrnung

Unter Korrosiorr wird eine Werkstoffschadigung verstanden, die durch den chemischen Angriff eines korrosiven Mediums von der Oberflache ausgehend verursacht wird. Korrosive Medien ftir metallische und keramische Werkstoffe sind vor allem Fliissigkeiten und Gase, wobei unterschiedliche Korrosionsmechanismen vorherrschen. Die Korrosion von Metallen in wassrigen LGsungen, die hier schwerpunktmaBig behandelt wird, beruht auf elektrochemischen Vorgangen an der Grenzflache zwischen Metall und korrosivem Medium, wobei Metallionen in Lijsung gehen bzw. Korrosionsprodukte bilden. Auch beim Verschki& erfolgt eine Werkstoffschadigung von der Oberflache ausgehend aber durch die mechanische Relativbewegung zweier Festkorper. Eine Besonderheit stellt der KavitationsverschleiB dar, bei dem implodierende Gasblaschen mit einem dabei entstehenden Fliissigkeitsstrahldie Werkstoffoberflachestark schadigen konnen.

13.2 Korrosion

13.2.1 Crundlagen der Korrosion von Metallen in wiissrigen Msungen 13.2.1.I

Crenztliichenreaktionen

Voraussetzung fur elektrochernischeGrenzflachenreaktionen ist Stromtransport,sowohl im Metall als auch im korrosiven Medium (Hektrolyt).Tauscht ein Metall mit einem Elektrolyt Elektronen aus, so wird es allgemein als Elektrode bezeichnet. Werden Elektronen abgegeben, heiBt die Elektrode Kathode, werden Elektronen aufgenommen, bezeichnet man sie als Anode. Die zugehorigen Reaktionsgleichungen, die mit einer Wertigkeitsanderungdes Metalls verbunden sind, bezeichnet man dem-

288

I

13 Korrosion und VerschleijJ

zufolge als anodische bzw. kathodische Reaktionen. Ein Beispiel fur eine kathodische Reaktion ist die kathodische Metallabscheidung

+

Zn++ 2e-

+

Zn

(13.1)

Diese Reaktion der galvanotechnischen Verzinkung, die in analoger Weise fur das Vergolden, Verkupfern und Versilbern gilt, hat offensichtlich mit Korrosion wenig zu tun. Die gegenteilige anodische Reaktion dagegen, die anodische Metallauflosung genannt wird, ist die Schlusselreaktion fur alle elektrochemischen Korrosionsvorgange: Zn

+

+

Zn++ 2e-

(13.2)

Voraussetzung fur diese anodische Reaktion der Metallauflosung ist das gleichzeitige Ablaufen einer kathodischen Reaktion. Bei der galvanotechnischen Verzinkung ist dies die kathodische Metallabscheidung nach Abb. 13.1, bei der mit Hilfe einer auBeren Stromquelle Zink auf ein beliebiges Metal1 (Me) abgeschieden werden kann. Neben der Metallabscheidung existieren jedoch weitere kathodische Reaktionen, die eine anodische Metallauflosung (= Korrosion) auch ohne auBere Stromquelle ermoglichen.

Abb. 13.1

Prinzip des galvanischen Metalli!iieren

In wassrigen Losungen sind als kathodische Reaktionen sowohl die Reduktion der dissozierten Wasserstoffionenals auch die Reduktion von gelostem Sauerstoff aus der Luft grundsatzlich moglich. Die Reduktion der Wasserstoffionen ist immer mit einer Wasserstoflildung verbunden:

+ 2H,O 2e- + 2H30+ 2e-

-+

+

+ 20HH, + 2H,O H,

(neutral/alkalisch)

(13.3)

(sauer)

(13.4)

Die Sauerstofieduktion kann in Abhangigkeit des pH-Wertes des Elektrolyts durch folgende Reaktionsgleichungen wiedergegeben werden:

+ 0, + 2H,O 4e- + 0, + 4H30+

4e-

--t

40H-

(neutral/alkalisch)

(13.5)

-+

6H,O

(sauer)

(13.6)

73.2 Korrosion 12119

Kennzeichnend f i r diese kathodischen Reaktionen ist, dass das zughorige Metall (= Kathode) fur den Elektronentransport zwar notwendig ist, aber ansonsten an der Reaktion nicht teilnimmt. Welche Reaktionen stattfinden, wird durch die sogenannten Redoxpotentiale bestimmt, auf die hier aber nicht ntiher eingegangen werden soll. 13.2.1.2 Spannungsreihe der Metalle

Die Tendenz der verschiedenen M e d e zur Metdauflosung hangt davon ab, wie leicht sich Elektronen vom jeweiligen Metall trennen lassen. Je schwerer der Trennvorgang ist, desto korrosionsbest2ndigerund edler ist das Metall. Lassen sich die Elektronen leicht abtrennen, bilden sich also leicht positive Metallionen, so ist das jeweilige Metall korrosionsanfaiger und unedler.Auf diese Weise lassen sich die Metalle in einer Reihe, der Spannungsreihe,anordnen. Gemessen werden die Unterschiede mit Hilfe einer gut reproduzierbaren Bezugselektrode, der Normal-Wasserstoffelektrode und relativ zu dieser als Normalpotentiale angegeben (Tab. 13.1). Tab. 13.1

Elektrode Au/Au3'

Pt/PP+ Ag/Ag+ CU/CU'+

H2/H+

Pb/Pb2'

Elektrochemische Spannungsreihe wichtiger Metalle

Elektrode

Normal-potential in V

+ 1.5 + 1,2 + 0,8 + 0,345 f O - 0,126

Normal-potential in V

E d

- 0,141

1

- 0,236 - 0,440 - 0.744

s.

-1 -1

1

- 0,762 -

1,660

- 2,363

-1 -1 .1 .1 1 .1 Unedel

13.2.1.3 Elektmchemirche Elemente

Ein elektrochemisches Element wird durch ortlich getrennte, aber elektrisch leitend verbundene Anode und Kathode, sowie den Elektrolyten gebildet. Bestehen die Elektroden aus unterschiedlichen Metallen, so spricht man von einem Daniell-Element (Abb. 13.2). Welches der Metalle zur Anode (Medaufldsung) und welches zur Kathode (Metallabscheidung)wird, ergibt sich aus der Spannungsreihe. Die Elektronen flieBen zum Ladungsausgleich der beiden Metde durch den Leiter. Gleichzeitig mussen auch die Losungen durch einen Ionenleiter (Diaphragma)miteinander verbunden sein, damit Anionen und Kationen zum Ladungsausgleich der Lijsungen flieBen konnen. An der Anode entsteht durch die Metallauflosung ebenso ein elektrisches Potential wie an der Kathode durch die Metdabscheidung. Die Summe dieser Potentiale ist die elektromotorische Kraj dieses Elements oder besser bekannt die Nennspannung einer so aufgebauten Batterie.

290

I

13 Korrosion und Vench/e$

_____________ ____-________ Anode

Diaphragrna

Kathode

Abb. 13.2

Aufbau eines Daniell-Elements

Ein Korrosionselement liegt vor, wenn neben der anodischen Metallauflosung als kathodische Reaktion die Wasserstoffiildung (Gl. 13.3, G1.13.4) oder die Sauerstoffreduktion (Gl. 13.5, G1.13.6) statfinden kann. Diese kathodischen Reaktionen konnen nun sowohl an einer ortlich getrennten Kathode (Abb. 13.3) als auch direkt neben der anodischen Reaktion statfinden. Man spricht dann von Lokalelementen (Abb. 13.4).

Abb. 13.3

Abb. 13.4

Korrosionselernent rnit getrennter Anode und Kathode [l]

Lokalelernent am Beispiel der Auflosung von Zink in einer verdunnten Saure [l]

73.2 Korrosion 13.2.1.4 Spure- und Sauerstoffkorrosion

Abbildung 13.4 zeigt die Auflosung des unedlen Metalls Zink in einer verdiinnten Saure. Die entsprechenden anodischen und kathodischen Reaktionen seien an dieser Stelle wiederholt: Zn

+ 2e2H' + Zn

2H'

+

Zn++ + 2eH,

(13.7) (13.8)

+

Zn++ + H,

(13.9)

+

Die zu einer Saure zugehorigen Anionen konnen natiirlich hinzugefiigt werden, obwohl sie an der Reaktion nicht beteiligt sind 2H'

+ 2C1- + Zn

+.

Zn++ + 2C1-

+ H,

(13.10)

Zusammengefasst ergibt sich dann folgende Gleichung 2HC1+ Zn

-+

ZnC1,

+ H,

(13.11)

aus der die eigentlich zugrunde liegenden anodischen und kathodischen Reaktionen jedoch nicht mehr hervorgehen. In sauerstoffhaltigen Elektrolyten, z. B. Regenwasser, ist die kathodische Re&on der Sauerstoffreduktiondie Parallelreaktion der anodischen Eisenauflosung: Fe

+ H,O + 2e1/2 0, + H,O + 2Fe 1/2 0,

+ .

Fe+++2e20H-

+ .

Fe(OH),

+

I:::::[ (13.14)

Das zweiwertige Fe(OH), wird durch weiteren Sauerstoff zum schwerloslichen dreiwertigen Fe(OH)] aufoxidiert, das unter dem Namen Rost besser bekannt ist (Abb. 13.5).

feuchte Lutt

11111

Fe(OH, 1- Schwomm HZO in Poren ods.;Rost" \

Keim : 2.0.: vertormte Zone

Abb. 13.5

Mechanismus der Rostbildung auf Eisen [I]

-

Anodische ieilreoktion : Fe F e 2 + t2e'

I

291

292

I

13 Korrosion und Versch/e$

13.2.1.5 Passivitat

Die Tendenz der Metallauflosung spiegelt sich in der Spannungsreihewider (Tab. 13.1). Nun zeigt sich in der Praxis, dass einige Metalle mit einem relativ unedlen Normalpotential (z. B. Al, Ti, Cr, Ni und Zn) trotzdem eine relativ hohe Korrosionsbestandigkeit besitzen. Dies begriindet sich darin, dass sich unter bestimmten Bedingungen dichte Schutzschichtenvonviegend oxidischer Zusammensetzung bilden, die die weitere Metallauflosung hemmen bzw. zum Stillstand bringen konnen. Man unterscheidet dabei dicke, auch porenhaltige Deckschichten, die sich auf Fe, Zn oder Cu bilden und dunne, dichte Passivschichten, die sich auf Fe-Cr, Cr, Ni, aber auch Al, Ti und Zr bilden konnen. Bei Eisen ist Chrom als Legierungselement Voraussetzung fur die Passivierbarkeit und zwar > 13% Cr in Fe-Cr Legierungen und > 18% in Fe-CrNi Legierungen. Kennzeichnung dieser oxidischen Passivschicht ist ihre extreme Dunnheit, ihre extrem schnelle Bildung und ihre Elektronenleitfahigkeit, die noch kathodische Reaktionen zulasst. Die etwas dickeren aber ebenfalls dichten Oxidschichten auf Al, Ti und Zr sind dagegen elektrisch nicht mehr leitfahig und unterbinden daher jede anodische und kathodische Reaktion. Fur die Korrosionsbestandigkeit passivierbarer Metalle ist es besonders wichtig, dass die Bildungsbedingungen der Passivschicht erhalten bleiben, insbesondere dann. wenn die Schicht lokal chemisch oder mechanisch verletzt wird. 13.2.2 Erscheinungsformen der Korrosion

Obwohl die Grundmechanismen der elektrochemischen Korrosion (anodische Metallauflosung mit gleichzeitig ablaufender kathodischer Teilreaktion)immer gleich sind, ist die Bildung einer Vielzahl unterschiedlicher Korrosionselementemoglich. Deshalb sind in der Praxis verschiedene Erscheinungsformen der Korrosion zu beobachten, wobei zu beachten ist, dass eine gleichzeitige mechanische Belastung die Problematik erheblich verscharfen kann. 13.2.2.1

Korrosionsformen ohne mechanische Beanspruchung

Bei der gleichmdfiigen Fllichnkorrosion wird die gesamte Oberflache mit nahezu gleicher Abtragungsgeschwindigkeitkorrodiert, wobei die anodischen und kathodischen Bereiche permanent ortlich wechseln (Abb. 13.4, 13.6). Mit Hilfe von einfachen Auslagerungsversuchen konnen so genannte Isokorrosionskuwen erstellt werden, aus denen die Bestandigkeitsbereiche eines Werkstoffes in Abhangigkeit der Konzentration des Angriffsmittels (z. B. Saure) und der Temperatur ersichtlich sind (Abb. 13.7). Dabei gilt als Konvention, dass bei einem gleichmagigen Flachenabtrag von v , < 0,1mm/a ein Werkstoff als korrosionsbestiindig gilt.

13.2 Komsion 1293

Abb. 13.6 CleichrnaBige Flachenkorrosion eines Duplexstahls 121

120 100

Y .-c

80

L

a 60

g 5 +

40 20

Abb. 13.7 Schernatische lsokorrosionskurven nichtrostender Stahle

0

0

20

40

60

80

100

H,SO,-Konzentration in MA%

Hauptsachlich an un- und niedriglegierten Sahlen tritt die Muldenkorrosion auf, die durch ortlich unterschiedlichen Werkstoffabtrag gekennzeichnet ist. Typisch fur das Schadensbild ist das Auftreten von Korrosionsprodukten in Form von Pusteln oder Pocken unter denen der Korrosionsangriff erfolgt. Erst nach dem Entfemen der Korrosionsprodukte (2.B. durch Beizen) sind die gebildeten Mulden zu erkennen (Abb.13.8).Die durch Sauerstoflkorrosionbedingte Rostbildung in natiirlichen Wassem und Erdboden oder an feuchter Luft ist charakteristischfiir diese Korrosionsform (Abb. 13.5).

294

I

13 Korrosion und Verschle$

Die Lochkorrosion ist gekennzeichnet durch einen lokalen, punktformigen Korrosionsangriff (LochfraB) auf einer ansonsten nicht geschadigten (passiven) Oberflache (Abb.13.9).Lochkorrosion tritt besonders an hochlegierten Stahlen auf, mit der Gefahr der vollstandigen Perforation. Ursachlich ist ein ortlicher Durchbruch der Passivschicht durch halogenidhaltige (insbesondere C1--haltige) Losungen an mikroskopisch kleinen Inhomogenitaten. Eine Repassivierung an diesen Stellen erfolgt nicht, da die anodische Metallauflosung durch folgende Umstande unterstiitzt wird (Abb. 13.10): Die anodische Flache ist im Vergleich zur passiven kathodischen Flache sehr klein; dies fdn-t zu einer hohen Stromdichte, d. h. zu einer hohen Korrosionsgeschwindigkeit mit einem sich rasch vertiefenden Loch. Durch die in Losung gehenden Metalkationen wird einerseits zum Ladungsausgleich die Chloridionenkonzentration, andererseits durch die Hydrolysereaktion die H'-Ionenkonzentration erhoht. Beides fiihrt zu verscharften Korrosionsbedingungen im Lochgrund. Mit zunehmender Halogenidkonzentration und Temperatur, sowie abnehmendem pH-Wert wird die Gefahr der Lochkorrosion groBer.

13.2 Korrosion I 2 9 5

Abb. 13.9 Lochkorrosion (REM-Aufnahme) [2]

Spalt

.

Kathodische Teilreaktion

-.

Anodische Teilreaktion Me Me" +2eAbb. 13.10

Schematische Darstellung der Lochkorrosion (links) und der Spaltkorrosion (rechts)

Spaltkorrosion entsteht in konstruktiv bedingten engen Spalten, in denen die Passivschicht bei hochlegierten Stahlen durch fehlenden Sauerstoff keine stabilen Bildungsbedingungen mehr vorfindet. Ahnlich wie bei der Lochkorrosion kann die Passivschicht dann lokal geschadigt werden, wobei sich nach den gleichen Mechanismen die Korrosion in Form von Lochfrai3 fortsetzt (Abb. 13.10). Auch hier verscharfen die Halogenidkonzentration, die Temperatur und der pH-Wert die Korrosionsbedingungen. Zu beachten ist, dass Spaltkorrosion bereits unter Korrosionsbedingungen auftreten kann, bei denen noch keine Lochkorrosion vorkommt. Die Passivschicht in Spalten, in denen die Flussigkeit sich nicht austauschen kann, wird also weitaus mehr geschwacht, als es kleine Werkstoffinhomogenitatenan der Oberflache tun, die die Lochkorrosion auslosen. Die Vermeidung von Spalten ist daher die beste Magnahme gegen Spaltkorrosion.

296

I

13 Korrosion und Venchleij;:

Kontaktkorrosion tritt auf, wenn Metalle mit unterschiedlichem Normalpotential (Spannungsreihe!) in einem Elektrolyt in elektrischem Kontakt stehen. Am unedleren Metall findet dann die anodische Reaktion der Metallauflosung und am edleren Metall die kathodische Teilreaktion statt (Abb.13.11). Das AusmaB der Schadigung nimmt mit der Differenz der Normalpotentiale, der Leitfahigkeit des Elektrolyts und dem Flachenverhaltnis edles Metall (Kathode) zu unedlem Metall (Anode) zu. Die Kombination Fe-Nieten in einem Cu-Kessel ist deshalb ungtinstiger als Cu-Nieten in einem Fe-Kessel. Verhindern kann man Kontaktkorrosion durch elektrische Isolation der Metalle. Elektrolyt

H?

Anode

' -e

H'

Kathode Abb. 13.11

Fe (unedel)

Cu (edel)

Schernatische Darstellung der Kontaktkorrosion

Werden bei einem Werkstoff bestimmte Gefugebestandteile. korngrenzennahe Bereiche oder einzelne Legierungsbestandteile bevorzugt korrodiert, so spricht man von selektiuer Korrosion (Abb. 13.12 und 13.13). Ursache ist meist die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der einzelnen Phasen, die zur Bildung von anodischen bzw. kathodischen Lokalelementen fuhrt. Je nach Werkstoffart unterscheidet man Spongiose (Grauguss), interkristalline Korrosion (hochlegierte Stahle) und Entzinkung (Messing, Cu-Zn).

Abb. 13.12 Selektive Korrcsion (Schliff) [2]

13.2 Korrosion I297

Abb. 13.13 Selektive Korrosion (REMI-Aufnahme) [Z]

Kennzeichnend fur die Spongiose ist die selektive Auflosung des Ferrits bzw. des Perlits bei Grauguss, wobei der Graphit als Gefiigebestandteil erhalten bleibt und so dam beitragt, dass die Gestalt des Bauteils nicht zerstort wird (Abb. 13.14).Typisch f i r diese Korrosionsform ist das Auftreten in Medien, die fiir unlegierte Eisenwerkstoffe als weniger aggressiv gelten, z. B. Wassern mit relativ kleinen Sauerstoffgehalten. Die kathodische Wirkung des Graphits ist h i e f i r verantwortlich. Bei lamellarer Ausbildung des Graphits ist der Effekt grof3er als bei globularer Ausbildung.

Abb. 13.14 Spongiose (Schliff)

PI

298

I

13 Korrosion und Verschleijc:

lnterkristalline Korrosion an hochlegierten Stahlen wird durch Chromverarmung an den Korngrenzen infolge von Carbidausscheidungen verursacht (Abb. 13.15). Der dadurch mogliche rasche Kornzerfall kann nur vermieden werden, wenn durch eine Losungsgliihung bei ca. 1060"C und anschliegendem Abschrecken im Wasser der Kohlenstoff im Gitter gelost gehalten wird. Zu beachten ist allerdings, dass durch Warmeeinbringung, z. B. beim SchweilSen wieder sehr rasch die problematische Carbidausscheidung auftritt. Deshalb sollte entweder der C-Gehaltin diesen Stahlen stark abgesenkt (Low Carbon) oder der Kohlenstoff durch andere Carbidbildner (Ti, Nb, Ta) abgebunden werden (Stabilisierung).

Abb. 13.15

lnterkristalline Korrosion (REM-Aufnahrne)

[Z]

Stillstandskorrosion kann bei nicht entleerten Behatern und Pumpen auftreten, wenn sich durch augere Bedingungen die Korrosivitat des verbleibenden Mediums erhoht. Beispiele sind Verdunstung oder Belastung durch SO,-haltige Gase. 13.2.2.2

Korrosionsformen mit mechanischer Beanspruchung

Erosionskorrosionkann dann auftreten, wenn Feststoffpartikel in stromenden Medien zusatzlich zur korrosiven Wirkung der Flussigkeit verschleigend auf die Schutzschicht einer Werkstoffoberflache wirken. 1st die Ausheilungsgeschwindigkeit der Schutzschicht kleiner als die VerschleiBgeschwindigkeit,wird aktive Korrosion moglich und ein verstarkter Werkstoffabtrag ist die Folge (Abb. 13.16). Auch bei der Kavitationskorrosion wird durch eine Zerstorung der Schutzschicht Korrosion ermoglicht bzw. beschleunigt (Abb. 13.17). Unter Kavitation wird nach DIN 24 260 die ,,Dampfbildung bei ortlicher Unterschreitung des Verdampfungsdrucks und nachfolgender schlagartiger Kondensation" verstanden. Die schlagartige Kondensation der Dampfphasen lost einen Flussigkeitsstrahl in Richtung Werkstoffoberflache aus, der in der Lage ist, diese nachhaltig mechanisch zu zerstoren.

73.2 Korrosion I 2 9 9 Abb. 13.16

Erosionskorrosion (REL4-Aufnahme) [2]

Abb. 13.17

Kavitationskorrosion eineri Pumpenlaufrads [2]

Reibkorrosion beruht auf der mechanischen Reibung zweier Werkstoffpaarungen und der dadurch bedingten Zerstorung von Schutz- bzw. Passivschichten mit dann moglicher Korrosion. Spannungsrisskorrosion (SpRK) beschreibt das Zusammenwirken von korrosiven Medien und mechanischen Spannungen in Bauteilen (statische Zugspannung oder niederfrequente schwellende Zugbeanspruchung). Der daraus resultierende Werkstoffschaden (verformungsarmer Trennbruch; kaum sichtbare Korrosionsprodukte) macht diese Korrosionsart besonders tiickisch und ohne griindliche Untersuchung auch nicht nachvollziehbar. SpRK wird bei geeigneten Korrosionsbedingungen, die spezifisch fiir die verschiedenen Werkstoffe sind, dadurch ausgelost, dass lokal die Deckschicht durch die anliegende Spannung (Austritt von Gleitbandern)

300

I

13 Korrosion und Versch/e$

verletzt wird und sich dort ein anodischer Bereich bildet. Ein rascher Rissfortschrittist die Folge. Man unterscheidet trunskristullinen Bruch (uber die Gefugebestandteilehinweg) bei austenitischen, hochlegierten und bei hochfesten, niedriglegierten Stahlen, sowie interkristallinen Bruch (zwischen den Gefugebestandteilenan den Korngrenzen entlang) bei unlegiertem Stahl und Aluminiumlegierungen. (Abb. 13.18, Abb. 13.19) Schwingungsrisskorrosion (SwRK) wird durch wechselnde mechanische Beanspruchung ausgelost. Verformungsarme, meist transkristalline Briiche fuhren zu einer deutlichen Verminderung der Dauerfestigkeit eines Werkstoffes (Abb.13.20). Dies wird oft bei der Auslegung von Bauteilen, die einer dynamischen und einer chemischen Belastung unterliegen, nicht beachtet, da meist nur die Dauerfestigkeit (Wohlerkurve, Smith-Diagramm) an ,,trocken" geprtiften Werkstoffproben als Berechnungsgrundlage herangezogen wird.

Abb. 13.18 Transkristalline Spannungsrisskorrosion (Schliff) [2]

Abb. 13.19

lnterkristalline Spannungsrisskorrosion (REMAufnahrne) 121

13.3 Majnahmen zum Korrosionsschutz

Abb. 13.20 Schwingungsrisskorrosion (REM-Aufnahme)

121

13.3 MaSnahrnen u r n Korrosionsschuk

Folgende prinzipielle Moglichkeiten zum Korrosionsschutz bieten sich an: mediumseitige MaBnahmen, die entweder die Korrosivitiit des Mediums herabsetzen oder den Aufbau von Deck- und Passivschichten unterstiitzen konstruktive MaBnahmen, die z. B. Taupunktbildung, Spalte oder Kontakte zwischen Metallen mit unterschiedlichen Normalpotentialen verhindern Uberzuge zum Schutz der Werkstoffoberflache korrosionsbestandige Werkstoffe elektrochemischer (kathodischer) Schutz durch Opferanoden oder inerte Anoden mit Stromquelle.

13.3.1 Mediurnseitige MaSnahrnen

Unlegiertes Eisen (Stme, GGG, GG) kann in neutralen Wassern vor Sauerstomtorrosion geschiitztwerden, wenn das Wasser dauerhaft entliiftet wird. Dies ist meist nur in geschlossenen Kreislaufen (Heiz-,Kiihlkreislauf)moglich. Eine Erhohung des pHWertes setzt die Korrosionsgeschwindigkeit zusatzlich herab, wobei ab pH 13 Dickschichtbildung eine weitere Korrosion verhindert. Kalk-Rost-Schutzschichten, die sich in Abhangigkeit der Wasserharte und des pH-Wertes bilden, sind ein weiteres Beispiel fur schiitzende Deckschichten. Inhibitoren besitzen schon bei geringen Konzentrationen durch eine Belegung der Metalloberflache eine elektrochemische Wirkung und konnen Korrosionsreaktionen verhindern. Man unterscheidet physikalische und chemische Inhibitoren.

I

301

302

I

13 Korrosion und Verschleij3 13.3.2

Konstruktive Magnahrnen

Isolierung, Durchluftung und Beheizung konnen Taupunktbildung verrneiden. Spaltkonstruktionen sollte es eigentlich gar nicht geben. Sind Spalte nicht zu vermeiden, sind sie entweder so breit auszufuhren, dass ein ungehinderter Mediumaustausch statdinden kann oder so abzudichten, dass das umgebende Medium nicht eindringen kann. Metalle mit unterschiedlichem elektrochemischen Charakter (Spannungsreihe) sind elektrisch zu isolieren. Zur Vermeidung der Stillstandskorrosion sind Entleerungs-, bzw. Spulungsmoglichkeiten fur Behalter und Pumpen vorzusehen.

13.3.3 Schutz durch Uberziige

Man unterscheidet organische, metallische und anorganisch nichtmetallische Uberzuge. Fur alle Beschichtungen ist die Oberflachenvorbehandlung von ausschlaggebender Bedeutung fur ihre Haftung und Funktionalitat. 13.3.3.1

Organische Beschichtungen

Hafdestigkeit und Durchlassigkeit sind die Schwachpunkte von organischen Beschichtungen. Beides kann durch geeignete Oberflachenvorbehandlungen, wie z. B. Phosphatieren, verbessert werden. Trotzdem nirnmt die Gefahr der Korrosion unter intakten Schichten bei gegebenem Kontakt mit dampfformigen bzw. flussigen Phasen in Abhangigkeit von der Beanspruchungszeit zu. Die nicht zu vermeidende Diffusion des Wassers durch die Schicht ist dafur verantwortlich. Eine Verletzung der Schicht ist gleichbedeutend mit dern Verlust des Korrosionsschutzes an dieser Stelle. Zu unterscheiden sind Dunnbeschichtungen mit Schichtdicken bis ca. 1 mrn und Dickbeschichtungen rnit Dicken bis zu mehreren Millimetern. Zu den Dunnbeschichtungen gehoren Lackbeschichtungen,gefullt mit Pigmenten, die therrnisch oder katalytisch ausharten und Pulverbeschichtungen, bei denen insbesondere Profilteile mit Hilfe verschiedener Verfahrenstechniken, wie z. B. Wirbelsintern, mit Kunststoffpulver porenfrei uberzogen werden konnen. Dicke Beschichtungen konnen mit Hilfe von Larninatbeschichtungen (Glasfaser) auf der Basis von Reaktionsharzen realisiert werden. Aber auch Auskleidungen, die durch das Aufbringen von Halbzeugen (Bahnen, Tafeln, Rohren und Schlauchen) hergestellt werden, konnen noch zu den dicken Beschichtungen gezahlt werden, wenn sie fest mit dem Grundwerkstoff verbunden sind. Hart- und Weichgummierungen gehoren dazu. 13.3.3.2

Metallische Beschichtungen

Im Gegensatz zu organischen Schichten sind metallische Schichten diffusionsdicht, d. h. bei einer unbeschadigten Schicht gibt es keine Gefahr der Unterkorrosion. Die Schichten konnen entweder aus dern ionisierten Zustand durch einen galvanischen

13.3 Mafinahmen zum Korrosionsschutz

bzw. elektrolytischen Prozess oder aus der Fliissigphase durch Tauchen in eine entsprechenden Metallschmelze (Feuerverzinken, Feuerverzinnen usw.), thermisches Spritzen und durch Aufiragsschweigungen aufgebracht werden. Das in grogem Umfang verwendete Zink als Beschichtungsmaterial f i r unlegiertes Eisen bietet auf Grund seines unedlen Charakters einen zusatzlichen kathodischen Schutz auch bei Verletzungen der Zinkschicht. Das Zink selbst wird durch eine Deckschicht geschiitzt, deren chemische Zusammensetzung und Besttindigkeit sehr stark vom umgebenden Medium abhangig ist. 1 3.3.3.3

Anorganische, nichtmetallische Beschichtungen

Uberziige aus anorganischem, nichtmetallischem Material werden auch heute noch Emails genannt. Sie bestehen aus einem glasartigen Material mit im Allgemeinen geringen, kristallinen Anteilen auf der Basis des Systems SiO,-Al,O,-CaO. Die chemische Besttindigkeit ist auger in starken Laugen und Sauren sehr gut. Beim Emaillieren wird das vorgeschmolzene Emailpulver (,,Emailfritte")durch Aufstauben oder Tauchen auf den Grundwerkstoff,i. Allg. unlegiertes Eisen, aufgebrachtund bei Temperaturen von 900- 1000"C wieder aufgeschmolzen und eingebrannt. Wichtig fur eine gute Haftung ist das Abstimmen der Ausdehnungskoefizienten von Grundwerkstoff und Email. Das Email sollte unter Druckspannung stehen, da es aufgrund seines sproden Charakters Zugspannungen, die iiber seiner Festigkeit liegen, nicht plastisch abbauen kann. Risse waren die Folge.

13.3.4

KorrosionsbestandigeWerkstofi

Kunststofe zeigen meist eine gute bis sehr gute Besundigkeit in anorganischen Fliissigkeiten. Auch hohe Salzgehalte beeinflussen ihre Korrosionsbestandigkeit nicht negativ. Nachteilig sind ihre geringe Besttindigkeit gegen organische Fliissigkeiten (Lijsungsmittel!), ihre geringe Temperaturbesttindigkeit und die geringe mechanische Belastbarkeit. Elastomere (Hart- und Weichgummi), Polyurethan (PU), Polyethylen (PE), Polyphenylenoxid (PPO) und fluoridhaltige Polymere (PTFE, PVDF, PFA) haben sich in Teilbereichenvon abwassertechnischenAnlagen bewahrt. Ihre chemische Besundigkeit ist vom jeweiligen Hersteller zu erfragen. Keramiken auf der Basis von Aluminiumoxid (A1,0,) und Siliziumcarbid (Sic) gehoren zu den korrosionsbestandigsten Werkstoffen iiberhaupt. Da sie zugleich eine hohe Verschleigbesttindigkeit besitzen, ist ihr Haupteinsatz in Gleitringdichtungen und mediumgeschmierten Lagern von Pumpen. Metal& konnen mit Hilfe von Passiv- oder Deckschichten vor Korrosion geschiitzt werden. Im Falle des Eisens ist Chrom als Legierungselement Voraussetzung fur die Passivierbarkeit und zwar > 13 % Cr in Fe-Cr Legierungen und > 18% in Fe-Cr-Ni Legierungen. Im Allgemeinen gilt, dass die Korrosionsbesundigkeit mit dem Gehalt der Legierungselementezunimmt. Chrom ist der Trager der Korrosionsbesttindigkeit in oxidierenden Sauren (Salpetersaure,Chromsaure). Mit Nickel wird die Bestandig-

I

303

304

I

13 Korrosion und Vemh/e$

keit gegenuber reduzierend wirkenden Medien (Schwefelsaure),sowie die Bestandig keit in heiBen Laugen verbessert. Durch Molybdan wird der Widerstand gegen lokale Korrosionsarten,wie Loch- und Spaltkorrosion entscheidend verbessert. Auch Stickstoff wirkt gegen diese Korrosionsarten. Als Mag fur die Bestandigkeit gegen diese Korrosionsarten kann die Wirksumme angegeben werden, die sich nach der folgenden Formel aus der chemischen Zusammensetzung des legierten Stahles errechnet: Wirksumme (PREN) = % Cr

+ 3,3% Mo + 1G%N

Die englische Abkurzung PREN steht fur Pitting Resistance Equivalence with Nitrogen. Zur Vermeidung der bereits beschriebenen interkristallinen Korrosion ist die Absenkung des Kohlenstoffgehaltes bzw. die Abbindung des Kohlenstoffs mit Titan, Niob oder Tantal unbedingte Voraussetzung. Aber auch hier gilt, dass die Korrosionsbestandigkeitder verschiedenen Legierungen in den verschiedenen Medien vom Werkstoffhersteller zu erfragen oder durch eigene Versuche zu ermitteln ist. Fur Zink und Aluminium gilt als Faustregel,dass sie eine relativ gute Bestandigkeit in neutralen Wassern besitzen. In sauren und alkalischen Losungen dagegen ist ihre Deck- bzw. Passivschicht nicht besthdig.

13.3.5 Kathodischer Schutz

Um anodische Metallauflosung an einem Bauteil zu vermeiden, kann das Bauteil elektrisch leitend rnit einem unedlen Metal1 verbunden werden, das dann als Opferanode das Bauteil kathodisch schutzt. (Abb. 13.21a) Legt man eine entsprechende Spannung zwischen einer inerten Anode und dem Bauteil an, wird so sein kathodischer Schutz erreicht (Abb.13.21b).

Abb. 13.21

a

b

Kathodischer Schutz rnit a) Opferanoden und rnit b) Cleichstrorn und in(!rter Anode [l]

13.4 Venchleg

13.4

Verschleis

VerschleiR in abwassertechnischenAnlagen tritt entweder als GkitverschkiJ zwischen zwei Werkstoffen mit oder ohne Feststoffpartikel als Zwischenstoff oder als Spiil- und SchrdgstrahlverschkiJ mit Feststoffpartikeln in Fliissigkeiten auf. Der Sammelbegriff fiir die beiden zuletzt genannten VerschleiBarten ist hydroabrasiver VerschleiJ.Allen VerschleiBarten liegt mindestens einer der folgenden VersdeiB- bzw. Schadigungsmechanismen zugrunde: Adhasion: Voraussetzung fur Festkorper-FestkorperAdhasion sind ortlich hohe Pressungen an einzelnen Rauhigkeitsspitzen. Ortliche VerschweiBungen, Fressen und Materialiibertrag sind typische Erscheinungsformen des adhasiven VerschleiBes. Abrasion: Materialabtrag, der durch Ritzen oder Furchen eines harteren Korpers bzw. eines harten Abrasivkorns an einem relativ weichen Gegenkorper zustande kommt, wird als Abrasion, Eindring- oder FurchungsverschleiB bezeichnet. Auch der Begriff Mikrospanen wird verwendet. Tribochemische Reaktion: Chemische Reaktionen, z B. Korrosion und Oxidation, von VerschleiBbeanspruchten Oberflachen mit ihrem Umgebungsmedium verandern die Struktur der Oberflachenzonen. Erhohter VerschleiB tritt dann a d , wenn die neuen Strukturen in ihrer Festigkeit herabgesetzt werden oder keine Verbindung mehr z u m Grundwerkstoff aufiveisen. Oberjlachenzerriittung: Durch Schwell- und Wechselbeanspruchung eingeleitete plastische Verformung wird die Duktilittit der Oberflachenzonen herabgesetzt. Rissbildung mit nachfolgender Materialabtrennung im Grenzschichtbereich ist damit verbunden. Typische Schadensbilder sind Risse, Griibchenbildung (Pittings) und Schuppenbildung. Gebrauchlich ist auch der Begriff Ermudungsverschleig. Oberflachenzerriittung liegt aber auch bei sproden Werkstoffen vor, die auf mechanisch eingeleitete Energie nach Uberschreiten des elastischen Bereiches nicht mit plastischer Verformung, sondern mit direkter Rissbildung reagieren. Die EinflussgroBen, die die Hohe des Werkstoffabtrags also das Mag der Werkstoffschadigung bestimmen, sind in Tab. 13.2 zusammengefasst.

I

305

13 Korrosion und Versch/e$ Einflussgrollen auf den Werkstoffabtrag beirn Cleitverschleill und hydroabrasivem Verschleill

Tab. 13.2

GleitverschleiiS

EinflussgroiSen H ydrodynamik

Fluid Feststoffpartikel Werkstoff VerschleiBpartner (Werkstoffe)

Stromungsform, Stromungsgeschwindigkeit, Anstromwinkel Viskositat, Dichte, Temperatur, Korrosivitat Verteilung, Form, Dichte, Konzentration, GroBe, Harte Art, Harte, Gefuge, Korrosionseigenschaften, Formandemngseigenschaften Anpressdruck, Relativgeschwindigkeit, Harteunterschied

Hydroabrasiver VerschleiB J

J

J

J

J

J

J

J

13.4.1

Cleitverschleif3

Gleitlager und Spaltpartien in Kreisel- und Verdrangerpumpen sind typische Beispiele fur Stellen an denen Gleitverschleig auftritt. Fur die miteinander im Eingriff stehenden Teile werden die unterschiedlichsten Werkstoffe genutzt. Unterscheiden lassen sich die Werkstoffe nach ihrer Harte. Als Werkstoffe mit hoher Harte werden Hartmetalle (Widia, WC/Co), Auftragsschweigungen (Stelllite,WC/Co), Metalle mit Oberflachenhartung (Nitrierung, Borierung), Beschichtungen auf Metallen ( Cr203)und vor allem monolithische Oxid- und Nichtoxidkeramiken (AI,03, Sic) verwendet. Werkstoffe geringer Harte sind Weichmetalle (Bronze), Kohle (Elektrokohle, graphitisierte Kohle), Polymere (Polyethylen, Fluorkunststoffe) und Elastomere (Naturkautschuk). Meist werden die genannten Werkstoffe gleichartig hartlhart oder in der Kombination hart/weich gepaart. 13.4.2

Hydroabrasiver Verschleii3 13.4.2.1

Abhlngigkeit von den einwirkenden Crofkn

Hydroabrasiver VerschleiB ist von den Abrasivpartikeln, die auf den Werkstoff wirken im folgenden MaBe abhangig: Stromungsgeschwindigkeit: Der Werkstoffabtrag steigt mit der dritten bis vierten Potenz der Relativgeschwindigkeit zwischen Feststoffpartikel und Werkstoff. Anstromwinkek Duktile metallische Werkstofe weisen bei Anstromwinkeln von n = 25 - 35" ein Maximum auf, bei dem sie empfindlich gegen das Eindringen der Festoffpartikel (Mikropflugen) reagieren. Bei groger werdendem Anstromwinkel sinkt der Ver-

13.4 Verschkij3 I 3 0 7

schleiB durch die F&igkeit, mittels plastischer Verformung Energie absorbieren zu konnen. Spriide Werkstofe weisen bei PrallverschleiB ihr VerschleiBmaximum auf, da durch das senkrechte Aufprallen der Partikel sofort nach Uberschreiten des linear-elastischen Bereiches Rissbildung (Mikrorisse)eintritt und Oberflachenteilchen herausbrechen. Elastomere sind durch ihre hohe Elastizittit in der Lage, auf Prallverschleifi mit niedrigen VerschleiBraten zu reagieren. Auf einen abrasiven Eingriff bei niedrigem Anstromwinkel reagieren sie empfindlich und ihr VerschleiBmaximum liegt bei einem Anstromwinkel von a = 15" (Abb. 13.22).

t

Werkstoffe:

3

2 St 37 3 PUR (85 Shore A)

1 Hartguss (2,8% C, 21% Cr)

a2 .-a,

c

:

Versuchsbedlngungen: Quarz: dp = 0,35rnm dp = 0,20rnm bei PUR v, = 100 rn/s

>

0 Abb. 13.22

30

60

Anrtr6mwlnkel a

90"

VerschleiB in Abhangigkeit des Anstromwinkels 141

Hdrte:

Das VerhAtnis der Harte des Partikels zu der des Werkstoffes bestimmt, ob das VerschleiBsystem sich in seiner Tief- oder Hochlage befindet. Ausgehend von der Tieflage mit kleinem VerschleiB steigt dieser mit zunehmender Komharte stark an, um schlieBlich in die VerschleiBhochlage uberzugehen. Der Ubergangsbereich lie@ ungef2hr im Bereich der Hartegleichheit von Werkstoff und Korn (Abb.13.23).

W,: duktiler Werkstoff W2: spr6der Werkstoff Gleitstrahl Prallstrahl HI: Partikel rnit kleiner HBrte H2: Partikel rnit hoher HBrte

3

_. .

0

- - - - .-

E

f > H1

H2

Partlkelhlrte Hp Abb. 13.23

Verschleig in Abhangigkeit der Werkstoff- und Partikelharte (Tief-, Hochlagencharakteristik) [4]

308

I

13 Korrosion und Verschleg

Korngro$e: Zunachst steigt der VerschleiB mit dem Korndurchmesser stark an. Aber ab einer bestimmten GrenzkorngroBe (abhangigvon Stromungsgeschwindigkeit,Kornstabilitat und Werkstoq sind die Abtragsraten von der KorngroBe der Abrasivpartikel und damit der kinetischen Einzelenergie nur noch bedingt abhangig und eine VerschleiBhochlage wird erreicht. Konzentration: Bis zu einer Partikelkonzentration von ca. 8- 12 % (abhangig vom VerschleiBsystem) ist von einer linearen Abhangigkeit zwischen Konzentration und Abtragsraten auszugehen. Bei hoheren Konzentrationen behindern sich die Partikel gegenseitig, so dass Auftreffenergie und Auftrefiahrscheinlichkeit zuriickgehen. Die Korrosivitat des Mediums beeinflusst den VerschleiB ebenfalls negativ. Grundsatzlich sollte die Korrosionsgeschwindigkeitdes Werkstoffes sehr vie1 kleiner sein als die VerschleiBgeschwindigkeit,um keine gegenseitige Verstarkung zu bewirken. 13.4.2.2

Abhangigkeit vom Werkstoff

Elastomere und Polyethylen konnen als verschleigfeste Vertreter der Polymere genannt werden. Ihre Grenzen liegen in der Temperaturbestandigkeit und ihrem massiven VerschleiB ab einem bestimmten Energieeintrag. Die bereits genannten keramischen WerkstoffeAluminiumoxid und Siliziumcarbid gelten als die verschleiBfestesten Werkstoffe uberhaupt. Nachteilig ist ihre Sprodigkeit und die beschrankte Herstellbarkeit von geometrisch komplexen Bauteilen. Das VerschleiBverhalten metallischer Werkstoffekann durch Martensithartung und durch Oberflachenhartungen auf der Basis von Nitriden und Boriden verbessert werden. Eine entscheidende Verbesserung der VerschleiBfestigkeit gelingt weiterhin durch den Einbau harter Phasen in die Metallmatrix bzw. in einen BeschichtungswerkstoK Bestimmend ist die Art der Hartphasen, ihre GroBe und ihre Einbindung in die Metallmatrix. Daraus ergibt sich auch, dass Gusslegierungen, Sinterwerkstoffe und AuftragsschweiBungen pradestiniert sind fur den hydroabrasiven VerschleiBschutz. Literatur [l]ILSCHNER,B., SINGER, R.F.: Werkstofiissenschaftenund Fertigungstechnik, Springer-Verlag.Berlin, Heidelberg, New York, 2002. 121 Kreiselpumpenlexikon,K S B Aktiengesellschaft, 1989. [3]KorrosionlKorrosionsschutz,Folienserie des Fonds der chemischen Industrie, 1994. (41 U r n , H.: Abrasion und Erosion, Carl Hanser Verlag, Miinchen, Wien, 1986.

I

14

Explosionsschutz in abwassertechnischenAnlagen Karl Heinz Cutmann

Dort, wo brennbare Fliissigkeiten eingeleitetwerden konnen, wo brennbare Gase oder Staube auftreten, ist mit Explosionsgefahr zu rechnen. Neben den elektrischen Geraten und Betriebsmitteln gibt es eine Reihe von moglichen Ziindquellen, die zu beachten sind. Um dieser Gefahr wirksam zu begegnen, muss man die Grundlagen des Explosionsschutzes verstehen. Was zu einer Explosion fGhrt und wie man diese verhindem kann, sol1 Teil dieses Betrages sein.

14.1

Explosion

Eine Explosionkann nur dann erfolgen,wenn drei Dinge gleichzeitigzusammentreffen: 1. ein brennbarer Stoff in Form von Gas, Dampf, Nebel oder Staub 2. Luft/Sauerstoff und 3. die Zundquelle

Dabei muss der brennbare Stoff innerhalb seinem explosionsfahigen Konzentrationsbereich vorliegen. Man spricht von einem explosionsfahigen Gemisch, wenn dieses

Abb. 114.1

Die drei Voraussetzungen fur eine Explosion

309

310

I

74 Explosionsschutz in abwassertechnischen Anlagen

Gemisch innerhalb seiner unteren und oberen Explosionsgrenze liegt. Die sicherheitstechnischen Kennzahlen der brennbaren Stoffe geben dabei Auskunft uber das jeweilige Explosionsverhalten.Diese Einteilung der Stoffe ist wichtig bei der Auswahl der elektrischen Gerate und bei den Mahahmen des Explosionsschutzes. Man spricht vom ,,primaren" Explosionsschutz, wenn man die Bildung einer gefahrlichen explosionsfahigen Atmosphare verhindert oder einschrankt z. B. brennbare Stoffe durch nichtbrennbare Stoffe ersetzt. Dies ist im gewissen Umfang in Produktionsbereichen moglich. Nicht aber in Anlagen, bei denen durch einen moglichen Storfall (Havarie)mit dem Auftreten brennbarer Flussigkeiten zu rechnen ist. Ferner sind die Anlagenteile zu betrachten, bei denen betriebsmafiig brennbare Stoffe vorhanden sind. Somit kann der zu beriicksichtigendeAufwand bei der Anlageneinstufung sehr unterschiedlich sein. Das heiBt je nach Standort oder moglichen zu beriicksichtigenden Gefahrenquellen. Dies ist natiirlich in den einschlagigen Richtlinien, die zu beachten sind, beriicksichtigt. Somit ergeben sich sowohl fur den Anlagenplaner als auch fur den Anlagenbetreiber Pflichten, die er beachten muss. Diese Pflichten werden in zunehmendem Mag auch uber die europaischen Regelwerke groBeren Einfluss auf die nationalen Richtlinien und Normenwelt nehmen. Beim ,,sekundaren" Explosionsschutz geht man davon aus, dass die Zundung einer vorhandenen explosionsfahigeAtmosphare verhindert wird. Vorrangig ist die Bildung einer gefahrlichen explosionsfahigen Atmosphare zu verhindern.

14.1.1

ExplosionsPahige Atmosphare

Eine explosionsfahige Atmosphare ist ein Gemisch aus Luft und brennbaren Gasen, Dampfen, Nebeln oder Stauben unter atmospharischen Bedingungen, in dem sich der Verbrennungsvorgang nach erfolgter Ziindung auf das gesamte unverbrannte Gemisch ubertragt. Als atmospharische Bedingungen gelten dabei Gesamtdriicke von 0,8 bis 1,l bar und Temperaturen von - 20 bis 60 "C.

+

14.1.1.1

Vorliegen einer gefahrdrohenden Menge

Eine explosionsfahige Atmosphare in gefahrdrohender Menge ist eine gefahrliche explosionsfahige Atmosphare, d. h. es liegt eine Menge vor, bei der im Falle einer Explosion Personen- oder Sachschaden zu envarten ist. In der Regel sind bereits 10 L explosionsfahigeAtmosphare in einem geschlossenen Raum unabhangig von der Raumgroge als gefahrdrohend anzusehen. Als Faustformel gilt: Raumvolumen I 10000 x Gemischvolumen In einem Raurn mit einem Rauminhalt von z. B. 80 m3 waren dies bereits 8 L.

74.7 Orp/osion I 3 1 1

Somit kommen, neben luftungstechnischer Mafinahmen oder Uberwachung der Gaskonzentration, auch der Verwendung speziell zugelassener Gerate und Betriebsmitteln eine grofie Bedeutung zu. Hierzu ist es besonders wichtig, die explosionsgeahrdeten Raume und Bereiche von abwassertechnischen Anlagen nach der Wahrscheinlichkeitdes Vorhandenseins von gefihrlicher explosionsfAiger Atmosphare in Zonen einzuteilen. Dabei werden die in Tab. 14.1 angefiihrten Zonen definiert. Tab. 14.1

Zonen zur Kennzeichnung gefahrlicher explosionsfahiger Atmospharen ~~~

~~

~

Brennbare Gase, Dampfe oder Nebel Zone 0

Bereich, in dem explosionsfiige Atmosphire als Mischung brennbarer Stoffe in Form von Gas, Dampf oder Nebel mit Luft stlindig oder kangeitig oder hiiufg vorhanden ist.

Zone 1

Bereich, in dem damit zurechnen ist, dass explosionsfihige Atmosphare als Mischung brennbarer Stoffe in Form von Gas, Dampf oder Nebel mit Luft bei normalem Betrieb gelegentlich auftritt.

Zone 2

Bereich. in dem nicht damit zu rechnen ist, dass bei normalem Betrieb explosionsghige Atmosphare als Mischung brennbarer Stoffe in Form von Gas, Dampf oder Nebel mit Lufi auftritt. Und wenn sie dennoch auftritt, dann nur kumeitig. Brennbare Stiube ~

Zone 20

Bereich, in dem explosionsfhige Atmosphare in Form einer Wolke brennbaren Staubes in Luft stfindig oder fungzeitig oder hfiufg vorhanden ist, und in dem Ablagerungen brennbaren Staubes unbekannter oder iibermagiger Dicke gebildet werden konnen. Staubablagerungen allein bilden keine Zone 20.

Zone 21

Bereich, in dem explosionsfhige Atmosphare in Form einer Woke brennbaren Staubes in Luft bei normalem Betriebgelegentlich auftreten kann. Und in dem Ablagemngen oder Schichten von brennbarem Staub im Allgemeinen vorhanden sein konnen.

Zone 22

Bereich, in dem nicht damit zu rechnen ist, dass bei normalem Betrieb explosionsfiige Atmosphare in Form einer Woke brennbaren Staubes in Luft auftritt, aber wenn sie dennoch aufhitt, dann nur kurzzeitig oder in dem Anhaufungen oder Schichten von brennbarem Staub vorhanden ist.

14.1.1.2

Vermeiden von Zilndquellen

1st das Auftreten geffirlicher, explosionsffiiger Atmosphare nicht auszuschliefien, mussen Zundschutzmafinahmen angewendet werden, um Zundquellen unwirksam zu machen. Nachstehend sind die physikalischen Vorgange bei den unterschiedlichsten Zundquellen beschrieben. Zilndung durch Zilndfunken oder glilhende Teilchen

Die Zundung einer gefArlichen explosionsffiigen Atmosphare durch einen Zundfunken oder durch ein gliihendes Teilchen erfolgt dann, wenn die Energie der Zundquelle ausreicht, das Gemisch in seiner unmittelbaren Umgebung zu entflammen, und wenn dann fur die weitere Erwarmung die freiwerdende Reaktionswarme sorgt. Fiir die Einleitung einer solchen Reaktion ist eine Mindestzundenergie notwen-

312

I

14 Explosionsschutz in abwassertechnischen Anlagen

dig; diese ist wiederum vom Mischungsverhaltnis des jeweiligen Gemisches abhangig. Die Abbildung zeigt die Mindestzundenergie fur Wasserstoff in Abhangigkeit des Mischungsverhaltnisses. Fur die Zundschutzart ,,Eigensicherheit"ist von Bedeutung, dass die Mindestzundenergie eines ohmschen, induktiven oder kapazitiven Stromkreises unterschiedlich grof ist. Fur die Zundquelle ,,elektrischer Zundfunke" gilt folgende Definition: ,,Die Mindestzundenergie eines Gas-, Dampf-, Luft-Gemisches ist die kleinstmogliche, bei der Entladung eines Kondensators auftretende elektrische Energie, die das zundwilligste Gemisch eines Gases oder Dampfes mit Luft bei einem Druck von 1bar und einer Temperatur von 20 "C gerade noch zu zunden vermag." Das gleiche gilt sinngemaf fur Staub-, Luft-Gemische. ZUndung durch Flarnmen

Bei der Ziindung eines Gemisches durch eine Flamme wird die Ziindung durch die Energie einer fremden Energiequelle von hoher Ternperatur bewirkt. Hier spricht man daher von Fremdzundung. Hierbei breitet sich die Flamme vom Zundort mit hoher Geschwindigkeit aus. Auch die Zundflamme muss einen bestimmten Energieinhalt haben, denn sonst wird die Temperatur durch Warmeableitung an die explosionsfahige Atmosphare unter die Verbrennungstemperatur absinken und somit die Flamme erloschen. Ziindung durch he& Oberflachen

Bei der Ziindung durch eine beige Oberflache ist die zur Verfugung stehende Energie meist sehr grog, die Temperatur aber niedriger als beim Zundfunken oder bei der Zundflamme. Den thermisch-physikalischenVorgang der Warmezundung nennt man auch Selbstzundung, die sich wie folgt erklaren lasst: Wird ein explosionsfahiges Gemisch durch eine aufere Warmequelle erhitzt, dann wird durch die Reaktion eine bestimmte Warmemenge freigesetzt, die wieder zu einer Temperaturerhohung fiihrt. Andererseits wird iiber die BehaIterwand Warme an die kiihlere Umgebungstemperatur abgegeben. 1st die Warmeabgabe grofer als die erzeugte Warmemenge, wird die Gemischtemperatur sinken. ist aber die Warmeentwicklung grofer, wird es zu einer Reaktion kommen und damit zur Explosion. Zundung durch elektrostatische Aufladung

Durch den Einsatz von Kunststoffen in explosionsgefahrdetenBereichen besteht die Gefahr, dass es durch elektrostatische Aufladungen zu ziindfahigen Entladungen kommen kann. Durch Kunststoffe mit einem Oberflachenwiderstand I 10' Ohm oder alternativ durch eine geeignete Ausbildung der Oberflachen sollen zundf&ige Entladungen verhindert werden. Kritisch sind elektrostatische Aufladungen in trokkenen, geschlossenen Raumen und besonders dann, wenn eine gefahrliche explosionsfahige Atmosphare vorhanden ist.

74.7 Exp/osion I 3 1 3

Ziindung durch Verdichtung und Sto%wellen

Eine weitere Gefahr einer Ziindung besteht bei einer schnellen Verdichtung eines Gemisches, weil hierbei hohe Temperaturen adheten. Im Prinzip ist die Ziindung durch StoBwellen sehr M i c h der Ziindung durch adiabatische Verdichtung. Ein zu Bruch gehendes VakuumgefiB kann Sto%wellenverursachen, die zur Ziindung fuhren. Diese StoBwellen haben dann Geschwindigkeiten groBer als die Schallgeschwindigkeit. Selbst durch zu Bruch gehende Leuchtstoffrohren konnen bei explosionsfahiger Atmosphare aus Wasserstoff oder Acetylen eine Ziindung hervorrufen. Ziindung durch Ultraschall

Erzeugen Gerate Ultraschall, dann wird Energie abgegeben, die am beschallenden Stoff zur Erwarmung fiihren. Im Extremfall kann es zu einer Uberschreitung der Ziindtemperatur zur Ziindung kommen. 1st die Leistungsdichte im erzeugten Schallfeld < 0,l W/cmz kann in der Regel eine Ziindung ausgeschlossen werden. Ziindung durch Stnhlung

Leiahige Teile wirken im Strahlungsfeld als Antenne und konnen bei entsprechender Feldst2rke zur Ziindquelle werden. Bei Hochfrequenz bieten Leistungen unter 1W, bei radioaktiver Strahlung und Rontgenstrahlung bei einer Ionendosis < 3 d / k g geniigend Schutz. Zandung durch chernische Reaktion

Durch chemische Umsetzung unter Warmeentwicklung konnen sich Stoffe erhitzen und dadurch zur Ziindquelle werden. 14.1.1.3

Ziindternperatur

Unter dem Begriff Ziindtemperatur ist diejenige Temperatur zu verstehen, bei der die Anwendung einer bestimmten Priifmethode ein Gemisch entziindet wird. Die Definition nach DIN 5 1794 lautet: ,,Die Ziindtemperatur eines brennbaren Stoffes ist die nach der festgelegten Methode ermittelte, niedrigste Temperatur, bei der im Priifgerat eine Entziindung des brennbaren Stoffes im Gemisch mit Luft festgestellt wird." Tab. 14.2

Temperaturklassen nach der Europanorm EN 50014

Ternperaturklasse

T1

n T3 T4 T5 Tb

Hochstzulassige Oberflachenternperatur der Betriebsrnittel [ "C]

Ziindternperatur der brennbaren Stoffe

450 300 200 135 100 85

> 450 > 300 I 450

[ "C]

>200<300 > 135 I 200 > 100 5 135 >855100

314

I

74 Explosionsschutz in abwassertechnischen Anlagen

Ternperaturklassen

Die Zundtemperaturen sind die Grundlage fur die Einteilung in Klassen - den Temperaturklassen T1 -T6 nach der Europanorm EN 50014 (Tab. 14.2). Zum einen handelt es sich um Klassen fur die Zundtemperaturen der brennbaren Stoffe, auf der anderen Seite um die maximale Oberflachentemperaturen fur explosionsgeschutzte elektronische Betriebsmittel. Die nach dem Normverfahren ermittelten Zundtemperaturen bilden die Grundlage fur die Einteilung der Stoffe in Temperaturklassen.

14.2

Ziindschutzrnahahrnen

Damit elektrische Betriebsmittel nicht zur Zundquelle werden, mussen MaBnahmen ergriffen werden, deren detaillierte Festlegungen in den Baubestimmungen und Normen festgelegt sind. Die Zundschutzarten nach den Europaischen Normen EN 50014ff. (Tab. 14.3) sind definiert als besondere Mahahmen, die an elektrischen Betriebsmitteln getroffen sind, um die Zundung einer umgebenden explosionsfahigen Atmosphare zu verhindem. Durch die Kennzeichnung der Betriebsmittel bestatigt der Hersteller hiernach die Einhaltung aller Anforderungen der Normen und Prtifstelle fur jedes Betriebsmittel, welches er einer Stiickpriifung im Sinne des Explosionsschutzes zu unterziehen hat.

14.3

Pflicht zur Beurteilung von Explosionsgefahren und zur Anwendung von Explosionsschutz-Mal3nahrnen

Bei der Beurteilung der Magnahmen tragt der Unternehmer bzw. Arbeitgeber hierbei die grundlegende Verantwortung fur den Arbeits- und Gesundheitsschutz der Beschaftigtenim Betrieb. Somit ist er auch in der Pflicht die Einteilung der explosionsgefahrdeten Bereiche in abwassertechnischen Anlagen vorzunehmen. Die Einteilung erfolgt in Anlehnung an die Beispielsammlung der Explosionsschutz-Richtlinien (Abb.14.2). Weiter werden diese im Arbeitschutzgesetz beschriebenen allgemeinen Aufgaben in weiteren Verordnungen und der Unfallverhutungsvorschrift beschrieben. Weiter fordern die Unfallverhutungsvorschriften (Abwassertechnische Anlagen) des Gemeindeunfallversicherungsverbandes(GUV),dass explosionsgefahrdete Bereiche in Abwasserbehandlungsanlagen in einen Ex-Zonen-Plan einzuzeichnen sind. Der Begriff ,,Abwasserbehandlungsanlagen" umfasst hierbei alle Anlagenteile, in denen sich explosionsfahige Gemische bilden konnen und somit eine Gefihrdung fur den Menschen und der Anlage selbst darstellen. Der Explosionsschutzplan verfolgt folgende Ziele:

74.3 Pflicht zur Beurteilung von Explosionsgejahren Tab. 14.3

Zundschutzatten nach EN 50014...EN 50039

Ziindschutzart nach EN bzw. IEC

Grundprinzip

Olkapselung .o" EN 50015 IEC GO 079-6

Ziindschutzart, bei der elektrische Betriebsmittel oder Teile von elektrischen Betriebsmitteln durch EinschlieBen in 0 1 in dem Sinne sicher gemacht werden, dass eine explosionsffiige Atmosphare iiber der Oberflache oder ad er h alb des Gehauses nicht geziindet wird.

UberdruckKapselung .p" EN 50016 IEC GO 079-3

Zundschutzart, bei der das Eindringen einer umgebenden Atmosphare in das Gehause von elektrischen Betriebsmitteln dadurch verhindert wird, dass ein Ziindschutzgas) in seinem Inneren unter einem Uberdruck gegeniiber der umgebenden Atmosphare gehalten wird. Der Uberdruck wird mit oder ohne laufende Ziindschutzgasdurchspiilung aufrechterhalten.

Schalt- und Steuerschranke, Analysengerate, grog, Motoren

Sandkapselung ,,q" Ziindschutzart, bei der durch die Fiillung des Gehauses eines EN 50017 IEC GO 079-5 elektrischen Betriebsmittels mit einem feinkomigen Fiillgut erreicht wird, dass bei bestimmungsgemai3em Gebrauch ein in seinem Gehause entstehender Lichtbogen eine das Gehause umgebende explosionsfihige Atmosphare nicht ziindet. Es darf weder eine Ziindung durch Flammen noch eine Ziindung durch erhohte Temperaturen an der Gehauseoberflache erfolgen.

Transformatoren, Kondensatoren, Heizleiteranschlusskasten

Druckfeste Kapselung , , d EN 50 018 IEC 60 079-1

Zundschutzart, bei der die Teile, die eine explosionsfahige Atmosphhe zunden konnen, im em Gehause eingeschlossen sind, das bei einer Explosion eines explosionsfiigen Gemisches im Innem deren Druck aushalt und eine Ubertragung der Explosion auf die das Gehause umgebende explosionsfiihige Atmosphare verhindert.

Schematische Darstellung

U a.$;-I.

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Hauptanwendung

Schaltgerate und Schaltanlagen, Befehlsund Anzeigegerate, Steuerungen, Motoren, Transfomatoren, Heizgerate, Leuchten

I

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74 Explosionsschutz in abwassertechnischen Anlagen Tab. 14.3

Fortsetzung ~____

~~~

Zundschutzart nach E N bzw. IEC

Grundprinzip

Erhohte Sicherheit ,,e" EN 50 019 IEC 60 079-7

Zundschutzart, bei der Magnahmen getroffen sind, urn mit einem erhohten Grad an Sicherheit die Moglichkeit unzulassiger Temperaturen und das Entstehens von Funken oder Lichtbogen im Innern oder an a d e r e n Teilen elektrischer Betriebsmittel, bei denen diese im normalen Betrieb nicht auftreten, zu verhindern.

Klemmen- und Anschlusskasten, Steuerkasten zurn Einbau von Ex-Bauteilen, (die durch eine andere Zundschutzart geschutzt sind), Kafiglaufermotoren, Leuchten

Eigensicherheit .i" EN 50 020 IEC 60 079-11

Zundschutzart, bei der die Energie im Stromkreis so genng gehalten ist, dass zundfahige Funken, Lchtbogen oder Ternperaturen nicht entstehen konnen.

Mess- und Regeltechmk, Kommunikabonstechnik, Sensoren, Aktoren

Vergusskapselung

Zundschutzart, bei der Teile, dieI eine, explosionsfahige Atmosphare durch Funken oder Erwarmungszunden konnte, in Vergussmasse so eingebettet sind, dass diese explosionsfahige Atmosphare nicht entzundet werden kann.

.,m"

EN 50028 IEC 60 079-18

Schematische Darstellung

-- .-,

Hauptanwendung

Schaltgerate fur kleine Leistungen, Befehlsund Meldegerate, Sensoren

Die Beschaftigten sind mit Hilfe des Ex-Zonen-Planesin der Lage, entsprechend den definierten Zonen die notwendigen Schutzvorkehrungen zu treffen. Planungsburos konnen den fur die elektrotechnischeAusriistung notwendigen ExSchutz definieren und umsetzen.

14.4

Neue Verordnung zum Explosionsschutz

Im Rahmen der Harmonisierung des europaischen Binnenmarktes ergeben sich auch in Deutschland einige Veranderungen in den Rechtsgrundlagendes Explosionsschutzes. Die Europaische Richtlinie 94/9/EG(ATEX 95, friiher ATEX 100a) wurde ab 01.03.1996 in deutsches Recht umgesetzt. Nach einer Ubergangszeit bis zum 30.06.2003 durfen nach der Explosionsschutzverordnung (ExVO) Gerate und Schutzsysteme fur explosionsgefahrdete Bereiche nur dann in Verkehr gebracht werden,

14.4 Neuc Verordnung zum Explosionsschutz

Mapnahnren zur Verhinderung von Explosionen

9' 44 ( I ) Karin heim Umgung mil hrennharen Stoffen durch dus Arrftrcten Y o n Gaserr, Dumpfen,Nehrln oder Stauhen explosion$ahige Atmosphare entstehen, miissen Mapnahmcn getrcffenwerden.

-

die pine Bildung e.xplosiori$ahiger Atmosphare in gefahrdrohender Menge verhindern oder einschranken, odor die Ziindung dcr explosionsfuhigor Atniosphiire verhindern.

( 2 ) Lassen sich im Innern von Behiiltern rind Appuraten cxplosionsfahige Genrische von Gasen. Dampfen, Neheln oder Stauherr in pzfahrdrohender Merrge und Ziindquellerr nicht uusschliepen. sind MaJnuhrirerr LU treflen. die hei eincr Explosion im Innern gefihrliche ArrmHir.kurigenverhindcnr.

(3)I n e.rplosionsgefahrdeten Bereichen sind Ziindquelleu :u vermeiden; die Vemrndung \'on oflenem Feuer und offenemLick souie das Ruitelren is[ wrhoren. Airf das Verhor id deurlich erkennhar und dauerhuft hinzuurisen. ( 4 ) E.~plosioirsgefakr~re Bereiche sind deutlich erkennbar und d a u e r w t zu kennzeicknen.

Zu 8 44 Ahs. I und Ahs. 2: Diese Forderrin,q isr erfiillt. wenrr die in den ,,Richtlinien,fiir die Vernreidung der Gefahren durclr " (ZtI 1110) explosionsfiihi~qeAtnrosphiire mit Beispielsummluny-Exp~o.sion.s.schut~~i~~htlinicn-~X-RLJ angefiihrten Mapnahmen getroffen werden.

Explo.~ionsfiihigesGcniisch (OherhegrrffJ is1 ein Gemisch von Gasen oder Ddmpfen urrtereinnndcr cnkr mil Neheln oder Stuuhcn. in denr sick nuch er folgter Ziindung vine Reuktion ~seethsI.stun~ig,f#rtpf~llzt. E.rplosionsfahige Atmosphare unlfasst explosionsfahige Genrische von Gasen. Dampfen. Neheln oder Stuuhen mi! L@t einsrAliej3lich iihlicher Beimengringen .(; B. Feuchrigheit) unter utmosphiirischen Bedingrtn,qen Als atnrosphdrische Bedingungm gelten hiei- Gesamfdriickcson 0.8 his I .I har und Gemischtemperaturen \-on-20 'C his +60 "C. Zu $ 4 4 Abs. 3: Die Forderung nuch Kennzeichnung is1 etfiilh. urnn das L'erhor~szeichen,,Feiier, offenes Lichr und Rurrchen verhoten der UnfallverhiiturrgsvorschrifiAhschrr. I .4 ,.Sicherheir.skennzeiclrnung urn Arheit&plutz"(VBG 125)ungchruchr ist. "

E.~i)losioirsgefahrdeteBereiche sind Bereiche. in der Explosionsgefahr herrscht, d. h. in denen auf C r u d der Srrlichen rrnd hrtriehlichen Verhaltnisse e.rplosionsfahige Atmosphare iu gefuhrdrolrender Menge ur$rreten kunn.

ZIIfi 44 Ahs. 4: Diese Forderung ist e$iillt, wenn das Warnzeicheir .,Wurnung vor explosionsfahiger Atmosphare nuch DIN 40012 Teil 3 E.cplosionsschutz; Kennzeichnung y o n explosionsgefahrdeten Bereichen; Schilder" unyehracht ist.

..

Abb. 14.2 Auszug aus der VCB 1

wenn diese der Richtlinie 94/9/EG entsprechen. Hieraus ergeben sich auch fur Deutschland wesentliche Anderungen. Durch die neue Richtlinie wird im europaischen Regelwerk der Explosionsschutz vollstiindig harmonisiert. Die entsprechenden nationalen Richtlinien, Verordnungen und Gesetze werden innerhalb der europaischen Gemeinschaft angepasst. GemaB der Richtlinie 94/9/EG (ATEX95)werden die Gerate in Gerategruppen und Kategorien eingeteilt. Die Gerategruppe I erfasst Produkte zur Verwendung in unte&igigen Bergwerken, einschlieBlich deren Uber-

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74 Explosionsschutz in abwassertechnischen Anlagen Tab. 14.4

Kategorien zur Einteilung von Ceraten fur explosionsgefahrdete Bereiche

Kategorie

Kriterien

Kategorie 1

sehr hohes Sicherheitsmag

Gerate zur Venvendung in Bereichen (Zonen). in denen eine explosionsfahige Atmosphare st h d i g oder langzeitig oder haufig vorhanden ist. Auch bei selten auftretenden Storungen ist Explosionssicherheitzu gewahrleisten.

Kategorie 2

hohes Sicherheitsmag

Gerate zur Venvendung in Bereichen (Zonen), in denen eine explosionsf2hige Atmosphare gelegentlich auftritt. Der Explosionsschutz muss auch bei haufigen Geratestorungen gewahrleistet werden.

Kategorie 3

nomales Sicherheitsmag

Gerate zur Venvendung in Bereichen (Zonen), in denen nicht damit zu rechnen ist, dass explosionsfahige Atmosphare auftritt. Sofern explosionsfahige Atmosphare dennoch auftritt, dann nur mit seltener Wahrscheinlichkeit und begrenzt auf eine kurze Zeit.

tageanlagen. Die Gerategruppe I1 erfasst Produkte zum Einsatz in Ubertagebereichen und ist unterteilt in die Kategorien 1, 2 und 3 (Tab. 14.4). Zur Beurteilung der Explosionsgefahr muss zuerst ermittelt werden, ob und unter welchen Voraussetzungen sich eine explosionsfahige Atmosphare bilden kann. Diese Beurteilung muss der Betreiber von Anlagen im einzelnen u. U. in Abstimmung mit der zustandigen Behorde vornehmen. Durch die Neuregelung des Explosionsschutzesim europaischen Rechtsbereich, werden sich fur den Hersteller von explosionsgeschutztenGeraten, wie auch fur den Anwender/Betreibervon explosionsgef3hrdetenAnlagen, einige wesentlichen Anderungen ergeben. 14.4.1

Nationale Umsetzung der Richtlinie in Deutschland

Die Richtlinie 94/9/EG (ATEX 95, friiher ATEX 100a) erforderte die Anderung der nationalen Vorschriften (Abb. 14.3). Die Richtlinie wurde am12.12.1996 mit Inkrafttreten der 11.Verordnung zum Geratesicherheitsgesetz(11.GSG) vollsandig in deutsches Recht uberfiihrt. Die Anforderungen an Gerate fur den Einsatz in explosionsgefahrdeten Bereichen sind in der ,,Verordnunguber das Inverkehrbringen von Geraten und Schutzsystemen fur explosionsgefahrdete Bereiche - Explosionsschutzverordnung - ExVO" geregelt. Fur die Errichtung und den Betrieb elektrischer Anlagen in explosionsgefahrdeten Bereichen gilt die ,,Verordnung uber elektrische Anlagen in explosionsgefahrdeten Bereichen (ElexV)", die hinsichtlich der Anforderung an die Gerate auf die ExVO venveist. Fur die Montage, Installation und den Betrieb von Anlagen zur Lagerung, Abfdlung oder Beforderung brennbarer Flussigkeiten zu Lande gilt die geanderte Verordnung uber brennbare Flussigkeiten (VbF).

14.5 Begrijibestirnrnungen

Abb. 14.3

Anderungen der Verordnungen

14.4.2

Zertifizierung und Kennzeichnung

Die neuen Verordnungen lbsen alle bisherigen entsprechenden Verordnungen vom 01.07.2003 an ab. In der Ubergangszeit kann ein Gerat f i r den Einsatz in explosionsgef&rdeten Bereichen sowohl nach der "alten" als auch nach der ,neuen" Richtlinie zertifiziert und eingesetzt werden. Eine Mischung beider Regelungen ist moglich, wenn die grundlegenden Sicherheitsanforderungen erfiillt sind. Ferner miissen mit der neuen Richtlinie zu jedem Gerat oder Schutzsystem neben der iiblichen Betriebsanleitung sogenannte Sicherheitshinweisef i r den sicheren Betrieb des Gerates mitgeliefert werden. Die Sicherheitshinweisebeinhalten die fiir den sicheren Betrieb der Gerate und Schutzsysteme notwendigen Angaben des Explosionsschutzes.

14.5 Begriffkbestimmungen

Als ,Gerate" gelten Maschinen,' Betriebsmittel, stationare oder ortsbewegliche Vorrichtungen, Steuerungs- oder Ausriistungsteile sowie Warn- und Vorbeugungssysteme, die einzeln oder kombiniert Energien erzeugen oder iibertragen. speichern, messen, regeln, umwandeln oder verbrauchen oder zur Verarbeitung von Werkstoffen bestimmt sind und die eigene potenzielle Ziindquellen aufweisen und dadurch eine Explosion verursachen konnen (z. B. MSR-Gerate).Als ,,Schutzsysteme"werden alle Vomchtungen mit Ausnahme der Komponenten der vorstehend definierten Gerate bezeichnet, die anlaufende Explosionen umgehend stoppen undloder den von einer Explosion betroffenen Bereich begrenzen sollen und als autonome Systeme gesondert in den Verkehr gebracht werden (z. B. Flammdurchschlagsicherungen). Als "Komponenten"werden solche Bauteile bezeichnet, die fiir den sicheren Betrieb von

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14 Explosionsschutz in abwassertechnischen Anlagen Tab. 14.5

Zoneneinteilung fur Gerate der Gruppe II

Gase, Dampfe, Nebel

Staube

Definition (RL94/9/EG) explosionsfahige Atmosphare ist vorhanden:

Kategorie 1G --* Zone 0

Kategorie 1 D +Zone 20

standig oder langzeitig oder haujg

Kategorie 2 G +Zone 1

Kategorie 2 D +Zone 21

gelegentlich

2

Kategorie 3 D +Zone 22

selten und kurzzeitig

Kategorie 3 G -Zone

G = Gase, D = Dust (Sttiube)

Geraten und Schutzsystemen erforderlich sind, ohne jedoch selbst eine autonome Funktion zu erftillen.

14.6 Kriterien f i r die Auswahl und den Einsatz von ktriebsrnitteln

Kunftig wird die europaische Richtlinie 99/92/EG (ATEX 137) als ArbeitsschutzRichtlinie, die sich mit der Errichtung und den Betrieb von Anlagen in explosionsgefahrdeten Bereichen befasst, die Zoneneinteilung in der EG regeln. Diese Richtlinie muss spatestens ab dem 01.07.2006 angewendet werden. Einen Uberblick uber die Zoneneinteilung und die Zuordnung von Geraten fur die Venvendung in der entsprechenden Zone ist in Tab. 14.5 fur die Gruppe I1 dargestellt.

14.7 Beurteilung der Explosionsgefahren in abwassertechnischen Anlagen

Wo konnen in der Praxis solche Bereiche auftreten, die neben dem Kanalnetz, in das brennbare Flussigkeiten und Gase, insbesondere bei Unfallen oder Storfallen eindringen oder eingeleitet werden konnen, mit Explosionsgefahren zu rechnen ist. Fur die Beurteilung der Explosionsgefahr kann die Beispielsammlung zu den Explosionsschutz-Richtlinien (Ex-RL) herangezogen werden, in der unter Abschnitt 7.3 die explosionsgefihrdeten Raume und Bereiche von Abwassertechnischen Anlagen aufgefuhrt sind. So werden einige Anlagenteile aufgefuhrt: 1. Abwassertechnische Anlagen 1.1 Abwasserableitung 1.1.1 Urnschlossene Raume, in denen Abwasser gespeichert wird, sowie das Innere von Apparaten, Behalter und Leitungen geschlossener Ableitungssysteme, (z. B. Pumpenvorlagen, Pumpensumpfe, Stollen, Regenbecken, Stauraum- kanale, Schachte, in die Druckrohre entluftet werden, Dukerbauwerke). 1.1.2 Vom Abwasser durchflossene Einrichtungen (z. B. Kanae, Druckrohrleitungen, durchflossene Schachte, Absturzbauwerke,tiefe offene Kanale [T > 2 m]) 1.1.3 Raume, die iiber Offnungen, mit den unter Abschnitt 1 genannten Einrichtungen in Verbindung gebracht werden konnen (z. B. Raume mit trocken auf-

14.8 Orgonisation des betrieblichen Arbeitsschutzes

1.2 1.2.1

1.2.2

1.2.3

1.2.4 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6 1.3.7 1.3.8 1.3.9 1.3.10 1.3.11 1.3.12 1.3.13 1.3.14 1.3.15

gestellten Abwasserpumpen oder geschlossenen Ableitungssystemen,Zugangen zu Regenbecken oder Stauraumen) Abwasserbehandlung Oberirdische Raume im Einlaufbereich,in Abwasserbehandlungsanlagen,die von Abwasser durchflossen werden (z. B. Einlaufbauwerke, Rechengebaude, Sandfange in Gebauden) Das Innere von Apparaten, Behgtem und Leitungen, sowie umschlossener Raume, die von Abwasser oder Klarschlamm durchflossen werden oder in denen sich Abwasser oder Klarschlamm befindet (z. B. gekapselte Anlagenteile, geschlossene Becken und Gerinne, Pumpensumpfe, Schieber- und Verteilerbauwerke) Raume,dieiiber Offnungen,mitdenenunter Absatz 2 genannten Einrichtungen in Verbindung gebracht werden konnen, (z. B. Gebaude mit geschlossenen Gerinnen und gekapseltenAnlagenteilen,Maschinenraume uber abgedeckten Pumpensumpfen, Raume mit zu offnenden Schlammvorlagebehdter) Offene Anlagenteile im Freien Schlammfaulung Geschlossene Faulbehalter Raume, die mit Faulschlamm oder Faulwasser gefiillt sind,odervondiesenMedien durchflossen werden (z. B. Faulschlamm/Faulwasserschacht,Nacheindicker) Uume die faulgasfiihrende technische Ausriistungen enthalten (z. B. Gasleitungen, Armaturen, Messgerate) Faulgasfiihrende technische Ausriistungen, die zum Betrieb oder zur Wartung geoffnet werden (z. B. Gasfilter, -entschwefler) Raume, die Kondensatableiter enthalten Bereiche, in die Gasuberdruckentlastungen miinden Gasbehalter fiir Faulgas Gasfackeln Gasentschwefler Faulgasbetriebene Einrichtungen (z. B. Gasmaschinen, Brenner) Geblase und Verdichter fiir Faulgas Druckregler fiir Faulgas Raume, in denen Faulschlamm maschinell entwassert wird Bereiche, in denen entwasserter Faulschlamm gelagert wird Schlammtrodmer und Raume, in denen getrockneter Schlamm gelagert wird

14.8

Organisation des betrieblichen Arbeiischutzes

Die Richtlinie 99/92/EG sowie die neue Verordnung uber die Organisation des betrieblichen Arbeitsschutzes (Betriebssicherheitsverordnung)fordert u.a. ein Explosionsschutzdokument. Der Untemehmer hat fiir die Beschaftigten, die mit ihrer Arbeit verbundenen Gefahrdungen im Zusammenhang mit dem Auftreten gefbrlicher, explosionsfahiger

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14 Explosionsschutz in abwassertechnischen Anlagen

Atmosphare zu ermitteln, zu bewerten und entsprechende SchutzmaBnahmen durchzufuhren. Die Beurteilung ist je nach Art der Tatigkeit der Arbeitsbedingungen und des Arbeitsplatzes vorzunehmen. Das Ergebnis der Beurteilung ist in einem Explosionsschutzdokumentfestzuhalten. Dieses wird vor Aufnahme der Arbeit erstellt. Es ist zu uberarbeiten, wenn wesentliche Anderungen bzw. Erweiterungen vorgenommen werden. Die Dokumentation zum Explosionsschutz kann Bestandteil einer allgemeinen Sicherheitsdokumentation sein. Sie kann auch in elektronischer Form (z. B. in Datenbanken) gefuhrt werden. Der Unternehmer hat dafur zu sorgen, dass die Beschaftigten uber die moglichen Explosionsgefahren und die nach diesen Regeln ausgewahlten SchutzmaBnahmen belehrt und die fur die Sicherheit erforderlichen Betriebsanweisungenschriftlich festgelegt werden. Die Beurteilungen sind in angemessenen Zeitabsttinden zu wiederholen. Explosionsgefahrdete Bereiche sind an ihren Zugangen deutlich erkennbar und dauerhaft zu kennzeichnen.

14.9

Beispiel fur den Aufbau eines Explosionsschutzdokuments

Das Explosionsschutzdokumentkann bereits mit vorhandenen Explosionsschutzrisikoabschatzungen, Dokumenten oder anderen gleichwertigen Berichten kombiniert werden. 1. Angabe des Betriebsbereichs z. 8. Anlage, Lager, Gebaude 2. Verantwortlicher fiir den Betriebsbereich, Erstellungsdatum und Anhange 3. Kurzbeschreibung der baulichen und geografischen Gegebenheiten z. B. Lageplan, Gebaudeplan, Aufstellungsplan, Gebaude- bzw. Anlagenluftung 4. Verfahrensbeschreibung fiir den Explosionsschutz wesentliche Verfahrensparameter z. B. verfahrenstechnische Kurzbeschreibung, relevante Tatigkeiten (z. B. Probenahme), eingesetzte Stoffe, Einsatz-/Fordermenge, Verarbeitungszustand, Druck- und Temperaturbereiche 5. Stoffdaten Wesentliche sicherheitstechnische KenngroBen zur Beurteilung der Explosionsschutzmafhahmen z. B. aus dem Sicherheitsdatenblatt oder anderen Kompendien (z. B. CHEMSAFE, Nabert-Schon usw.)

14.9 Beispiel f i r den Aufbau eines Explosionsschutzdokuments

Bei brennbaren Flussigkeiten/Gasenz. B.: - Flammpunkt brennbarer Flussigkeiten - untere und obere Explosionsgrenze - Dichteverhdtnis zu Luft - Zundtemperatur (Temperaturklasse) - Explosionsgrenze - Sauerstoffgrenzkonzentration - Dampfdruck brennbarer Flussigkeiten Bei brennbaren Fliissigkeiten/brennbaren St2ube z. B. : - KorngroBenverteilung (Medianwert) - untere Explosionsgrenze - Mindestzundenergie - maximaler Explosionsdruck - $,-Wert - Zundtemperatur des aufgewirbelten Staubes - Zundtemperatur des abgelagerten Staubes (Glimmtemperatur) - Sauerstomtonzentration 6. 6.1 6.2 7. 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 7.3.1 7.3.2

Gemrdungsbeurteilungen siehe EX-RL, Abschnitt D2 Kann im Bereich der zu beurteilenden Anlage oder im Inneren von Apparaturen explosionsfahige Atmosphare auftreten? Sind die zu erwartenden Mengen explosionsmigerAtmosphiire a u f p n d der ortlichen oder betrieblichen VerMtnisse gefahrdrohend? Schutzkonzept Technische SchutzmaBnahmen Zoneneinteilung Art, Ausdehnung und Dokumentation Inneres von Apparaturen Umgebung von Apparaturen Organisatorische MaBnahxnen Unterweisung der Arbeitnehmer Schriffliche Anweisungen, Arbeitsfreigaben

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15.2 Kanalisation und Regenwasserbehandlung I 3 2 5

15 Mess- und Regelungstechnik der Cesamtanlage A. Regele

15.1

Einleitung

Vor Jahren wurden Abwasseranlagen geplant, die moglichst ohne Motoren und ohne Messtechnik betrieben werden konnten. Das hat sich vollig geandert. Die hoheren Anforderungen des Umweltschutzes und starkere wasserrechtliche Auflagen sind nur mit Reinigungsverfahren zu erreichen, die nicht ohne besondere Maschinen und Messungen auskommen. Die Betriebsuberwachungeiner Klaradage und eines bnalnetzes ist damit wesentlich umfangreicher und vielfdtiger geworden. Sie umf a s t nicht nur das Bedienen, Beaufsichtigen, Pflegen und Instandhalten aller baulichen und maschinellen Einrichtungen, sondem auch das Erfassen, Uberwachen und Steuem des Betriebsablaufes. Je groBer die Kenntnisse iiber einzelne Anlagenzusande sind, umso effektiver und wirtschafilicher ist eine Anlage fahrbar. Grundlage jeder Automation bilden betriebssichere Messgerate. Diese stehen heute in ausreichendem Umfang zur Verfiigung. Das Messen der meisten Grundparameter kann als problemlos angesehen werden. Voraussetzung ist eine auf Dauer einwandfreie Messinformation. Mit den derzeitigen analytischen Moglichkeiten lasst sich in der Praxis eine umfassende Automation des Betriebs nicht durchuren. Die Automatisierung des Betriebs von Abwasseranlagen beschrankt sich zumeist auf einzelne sinnvolle Steuerungenund Regelkreise bestimmter Teilprozesse. Die Datenerfassung und Datenverarbeitung gehoren hierbei in zunehmendem Umfang zum Automationskonzept einer Klaranlage. Die Anforderungen an diese Systeme hangen von der eingesetzten Verfahrenstechnik und der AnlagengroBe ab.

15.2

Kanalisation und Regenwasserbehandlung

In der Abwasserbehandlungwerden in Trenn- und Mischsystemen aufgrund der topographischen Gegebenheitenvor Ort haufig Pumpstationen und Hebewerke benotigt um das Abwasser der Klaranlagen zuzufiihren. Je nach Lage und GroBe des Einzugs-

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15 Mess- und Regelungstechnik der Gesamtanlage

gebietes der Klaranlage ist dabei oft ein Netz von Pumpwerken erforderlich. Die regelmaBige Uberpriifung der Pumpstationen ist dabei oft aufwendig und kostenintensiv. In Mischsystemen erfolgt eine Ableitung von Schmutz- , Fremd- und Regenwasser im Kanal zur Klaranlage. Im Bereich stadtischer und industriell genutzter Einzugsgebiete wird der Niederschlagsabfluss der bebauten Oberflache der Kanalisation zugefuhrt. Wahrend bei Trockenwetter der gesamte Abfluss des Kanals der Klaranlage zugefuhrt wird, kann bei starken Regenereignissen der Trockenwetterabfluss um ein Vielfaches uberschritten werden, so dass es zu einer Uberlastung von Kanal bzw. Klaranlage kommt. Zur Abminderung dieser Abflussspitzen kommen Regenuberlaufe, Regenklarbecken, Regenriickhaltebecken, Regenuberlaufbecken bzw. die Ausnutzung des Stauraums in Kanden zum Einsatz. Bei Regenuberlaufen gelangt jedoch die zu Beginn eines Regenereignisses weggespulte Oberflachenverschmutzung (Sink- und Schwebstoffe)in den Vorfluter. In Regenklar- bzw. Regenuberlaufbecken (RUB) sedimentiert ein groBer Teil der Verschmutzung im Becken und nahezu feststofffreies Abwasser wird in den Vorfluter abgeleitet. Ein noch hoherer Vorreinigungseffekt wird durch zusatzlich nachgeschaltete mechanische Reinigungsstufen wie Siebe oder Filter erzielt. Wird die Kanalisation als zusatzlicher Stauraum genutzt bzw. kommen Regenriickhaltbecken zum Einsatz, gelangt kein ungereinigtes Abwasser in den Vorfluter. Der ausschlieBliche Einsatz von Regenriickhalteeinrichtungen ohne Abschlag in den Vorfluter erfordert jedoch eine enorm groBe Anzahl an Becken, so dass diese Variante aus okonomischer Sicht untragbar ist [l]. Auch hier kommt es zu einer Verteilung der Regenbehandlungsanlagenim gesamten Netz des Einzugsgebiets der Klaranlage, abhangig von l n g e und Transportkapazitat der Kanale, GroBe der bebauten Oberflachenund der lokalen Niederschlagsmengen. Die Festlegung der benotigten Speichervolumina wird nach dem ATV-Arbeitsblatt A 128 ermittelt. Die regelmagige Uberpriifung der Regenwasserbehandlungseinheiten ist auch hier aufwendig und kostenintensiv.

15.2.1 Purnpwerke

Bei einem Pumpwerk mit mehreren Pumpen (Tau&- oder Hebeschnecken) sollen die Pumpenlaufzeiten so geschaltet werden, dass die Forderleistung der entsprechend anfallenden Abwassermenge entspricht. Dies bedeutet einen niedrigen Energieverbrauch und eine Erhohung der Pumpenstandzeit. In Hebewerken und Pumpstationen werden vielfach Ultraschall-Fullstandmessgeratezur Messung von Pegelstanden eingesetzt (Abb. 15.1). Wichtige Merkmale dieser Anwendung sind freiprogrammierbare Ein- und Ausschaltpunkte sowie die Moglichkeit, die Pumpen alternierend zu betreiben. Durch das Alternieren werden die Pumpen gleichmagig betrieben, wodurch der ubermaBige VerschleiB einer einzelnen Pumpe verhindert wird. Bei einem raschen Anstieg des Pegels im Pumpenschacht ist es sinnvoll, eine weitere Pumpe einzuschalten bzw. die Pumpenleistung hochzuhalten. Fur diesen Zweck sind die Messumformerrelais mit einer sogenannten einstellbaren Tendenz ausgestattet.

15.2 Kanalisation und Regcnwasserbehandlung

Abb. 15.1

Hebewerk. Die Ultraschallrnesseinrichtung steuert die Schnecken

Pumpenschachte konnen sehr schmal und z. B. mit Leitem und Rohren versehen sein, die akustische Storsignale verursachen. Deshalb wurden Sensoren mit sehr kleinen Schallkeulen entwickelt. Die MeBsysteme bieten zusatzlich die Moglichkeit, Storechos (auch Festziele genannt) per Knopfdruck zu unterdriicken. Das Messgerat kann schnell und einfach an die akustischen Verhdtnisse der Messstelle angepasst werden. 1st haufig mit Schaumbildung zu rechnen, konnen an Stelle der Ultraschallmesseinrichtung hydrostatische Messeinrichtungen installiert werden. 1st eine SPS als Steuereinheit vor Ort, kann durch bis zu &nf Schaltausgange des Messumformers eine redundante Steuerung aufgebaut werden. Ein modemer intelligenter Messumformer liefert ein 4 ... 20 mA Signal an die SPS. 15.2.2

Regenentlastungsbauwerke

Bei Regenentlastungsbauwerken unterscheidet man zwischen dreivarianten, die je nach geforderter Funktion und Aufgabe eingesetzt werden. Regenuberlaufe (RU) werden so ausgebildet, dass bei Abflussen, die kleiner oder gleich dem kritischen Mischwasserzufluss sind, noch keine Entlastungen zum Vorfluter stattfhden (Abb. 15.2a).Sie begrenzen daher die Mischwassermengen auf den kritischen Mischwasserabfluss. Der Regenuberlauf ist ein parallel zur FlieBrichtung des Mischwassers eingebautes Uberfallwehr. Regenriickhaltebecken (RRB) bzw. Stauraum in Kanden speichem die bei starken Regenfaen plotzlich anfallenden groBen Wassermassen und geben sie langsam und gedrosselt an die Klaranlage ab (Abb. 15.2b). Die Becken haben keinen Uberlauf. Regenuberlaufbecken (RUB) stellen eine Verbindung von Ruckhaltebecken, Klarbecken und Regenuberlaufdar. Sie werden gewddt, wenn der kritische Mischwasserabfluss nicht in vollem Umfang weitergeleitet und in der Klaranlage behandelt werden

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I5 Mess- und Regelungstechnik der Cesamtanlage

Qzu

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D

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D

\Inorfluter

2b

2c Abb. 15.2 Regenentlastungsbauwerke

kann oder soll. Der starker verschmutzte Spiilstof3 wird aufgefangen und zu Zeiten niedriger Belastung der Klaranlage zugeleitet (Abb. 15.2~). Bei der Ausfuhmng der Becken wird zwischen Nebenschlussbecken und Durchlaufbecken unterschieden. Im Nebenschluss liegende Becken speichern den Spulstof3. Sie werden uber ein Trennbauwerk beschickt und der weitergefuhrte Abfluss zur Klaranlage wird am Becken vorbeigefiihrt. Erst nach der vollstandigen Befullung des Fangbeckens beginnt das Becken uberzulaufen. Der Uberfall liegt im Oberstrom des Beckens. Bei Durchlaufbecken durchfliegt der Hauptstrom, der der Klaranlage zugefuhrt wird, das Becken. Durch eine Zulaufbegrenzung bei einem Regenereignis fiillt sich das Becken. 1st das Becken vollstandig gefullt kommt es zum Abschlag in den Vorfluter uber ein Uberfallwehr.

Uberwachung und Steuerung bei Regenentlastungsbauwerken

Bei einem Regenereignis, das den kritischen Abwasserstrom uberschreitet, wird der Zulauf durch eine Drossel beschrankt, so dass die Klaranlage nicht uberlastet wird. Als Zulaufbegrenzung dient zum Beispiel ein gedukerter magnetisch-induktiver Durchflussmesser zur Mengenerfassung angeschlossen an eine Regelung zur Abflusssteuerung uber einen Schieber. Beim Unterschreiten des kritischen Abflusses kann nun das im Regenbecken gespeicherteAbwasser abgewirtschaftetwerden. Die Summe der Abwassermenge, die aus den einzelnen Becken abgewirtschaftet wird und der herkommliche Zulauf mussen dabei unter dem kritischen Abfluss liegen. Betreiber von Regenentlastungsbauwerken unterliegen den Kontrollverordnungen der Bundeslander: Die Ereignisse mussen gemessen, registriert und dokumentiert werden. Durch die Erfassung der Belastung kann der Bedarf nach weiteren Regenbekken nachgewiesen werden. Hier kommen Fiillstand- und Durchflussmessgerate zum Einsatz. Sie helfen das Aufnahmevermogen von Regenbecken und Kana1 bis zum

75.2 Kanalisation und Rcgenwasserbehandlung

Abb. 15.3

Regenruckhaltebecken. Mit einern Sensor wird die Fullhohe, rnit dern anderen Sensor die Uberfallhohe errnittelt. Aus der Uberfallhohe wird rnit dern Messurnforrner die Uberlaufrnenge berechnet. Fur beide Messkanale steht ein Strornausgang zur Verfugung. Uber die am Messurnforrner aktivierten Relais konnen Purnpen bzw. Wirbeljets geschaltet werden

2 x 014-20 m A

Klarwerk sowie den Uberfall in den Vorfluter zu iiberwachen, zu protokollieren und gegebenenfalls zu steuern. In den oft unterirdischen und geschlossenen Bauwerken konnen sich Faulgase sammeln. Durch Unftille auf der Strage, in Chemiebetrieben oder im Haushalt konnen Benzin oder andere Fliissigkeiten in das Kanalsystem gelangen und explosionsflihige Gasgemische freisetzen. Aus diesem Grund miissen bei dieser Anwendung explosionsgeschiitzte Sensoren eingesetzt werden. Hier werden Ultraschall (Abb. 15.3) und hydrostatische Fiillstandmesseinrichtungen mit Ex-Zulassung eingesetzt. Die Sensoren und Kabel sind iiberflutungssicher (IP 68) und chemisch besundig. Durch Tendenzmeldungeniiber ein Relais konnen Storungen das Betriebspersonal alarmieren oder bei sinkenden Pegeln ein Riihrwerk oder ein Wirbeljet aktivieren. So werden die am Beckenboden sedimentierten Feststoffe aufgewirbelt und mit dem Abfluss der Klaranlage zugefiihrt. Die Erfassung und Auswertung der Ereignisse am Regenbecken nach den Kontrollverordnungen der Liinder wird durch den Regenbecken-ControllerMemolog S ermoglicht. Die speziell fiir Regenbecken entwickelte Registriereinrichtung protokolliert Einstauzeit, Einstauhaufigkeit,Uberlaufzeit, Uberlauhaufigkeit, Uberlaufmenge, Betriebszeiten von Pumpen und Wirbeljets bzw. Stormeldungen. Die Software zur Auswertung gehort zur Grundausstattung. 15.2.3 Datenauslesen und DatenfernPbertragung

Die Uberwachung, Dateniibertragung und die Ubertragung von Stormeldungen sowie die Auswertung von dezentralen Einheiten erfolgt iiber Fernabfragen. Die Datenauswertung kann vor Ort, uber Standeitung oder mit einem Modem, mit und ohne Alarmierung via City-Ruf oder iiber Funkmodem (D1 bzw. D2) ausgefiihrt werden.

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I5 Mess- und Regelungstechnik der Cesamtanlage 15.3

Klaranlagenzulauf und rnechanische Vorreinigung Zulaufkontrollstation

Messungen am Zulauf einer Klaranlage unterliegen nicht nur einer Vorschrift, sie liefem auch die wichtigen Parameter fur den Betrieb. Die Messungen am Einlauf ergeben einen kompletten Uberblick uber die Schmutzfracht. In besonderem Masse zahlen hierzu Messgrogen wie pH-Wert, Menge, Temperatur aber auch die Leitfahigkeit und der BSB. Zulaufrnengenrnessung

In den Anlagen wird ein MID (Magnetisch Induktiver Durchflussmesser) fur die Erfassung der Eingangsmenge eingebaut, es kommen auch sogenannte Venturikanale zum Einsatz. Ein sehr genaues System bietet hierbei der Khafagiventuri. Dieses MeBsystem erfiillt die geforderten Messgenauigkeitenvon 1- 5 % und ist in idealer Weise fur Abwasser geeignet,weil Schmutzstoffan keine Moglichkeit zur Ablagerung bleibt. Zu hohe Wassergeschwindigkeitoder zu hoher Ruckstau im Untenvasser beeinflussen die Mengenerfassung erheblich. Der Untenvasserpegelsollte in jedem Falle nicht mehr als 70% des Oberwasserpegels betragen. Bei leerer Rinne entstehen oftmals Fehlanzeigen, da trotz Null-Durchflussein kleiner Wasserspiegel im Bereich der Hohenstandsanzeige stehen bleibt, der dann von der hoch genauen Echomessung erfasst wird, Khafagiventurimessungenin Verbindung mit Echolot-Hohenstandsabtastungen sind wartungsfrei, wenn keine sperrigen Cuter wie Aste den Kana1 versperren. pH-Messung

Die Kenntnis dieses Messparameters ist nicht nur fur den Betrieb der Klaranlage notwendig, er dient auch der Erhaltung der Bauteile und lasst Ruckschlusse auf unzulassige Einleitungen zu, Meist wird der pH-Wert kurz nach der Venturi-Messung mit einer sogenannten Eintaucharmatur iiberwacht, die in den Einlaufschacht gehangt wird, Ternperaturrnessung

Der Temperaturfuhler wird bei Einlaufmessungen in die Armatur fur die pH-Messung integriert. Die Werte werden dann wie die ubrigen Daten mit einem Schreiber aufgezeichnet. Leitt3higkeitsrnessung

Bislang oft vernachlassigt gewinnt dieser Parameter immer mehr an Bedeutung. So gibt es Stoff A im Abwasser, die sowohl pH- und Leitfahigkeitsmesssystemebeeinflussen, wahrend andere Schmutzfrachten wie Salze nur durch Leitfahigkeit gemessen worden konnen 1st eine Messung der elektrischen Leiffahigkeit des Abwassers notwendig, so kann wie bei pH-Messungen mit Eintaucharmaturen gearbeitet werden.

IS.3 Kfaranlagenzulauf und mechanische Vorreinigung

Der Schreibstreifen verdeutlicht, dass die gleichzeitige Messung von pH-Wert und kitf&igkeit wesentlich mehr Informationen bietet als jede der beiden Messungen allein. So konnen uber den pH-Wert in der Regel keine Salze erkannt werden, und uber die Leitfahigkeit kann nicht zwischen alkalischen und sauren Einleitungen unterschieden werden. Probenahme

Eine in der Regel durchflussproportional gesteuerte Probenahmeeinrichtung dient ZUT Erfassung der Abwasserbelastung im Zulauf und im Vergleich zu den Auslaufwerten zur Bestimmung der Effizienz der gesamten Anlage. Reghierung

Samtliche gemessenen Werte werden mit entsprechenden Registriergeraten aufgezeichnet. Meistens werden sogenannte kombinierte Systemeverwendet, die Aufzeichnung und Summierung auf einem Registrierstreifen moglich machen. Verfugt die Anlage uber ein Prozessleitsystem so werden die eingehenden Daten von diesem historisch aufgezeichnet. Rechenstation

Grob- und Feinfeststoffe mussen aus dem Abwasser entfernt werden damit sie keine Probleme an Pumpen und Maschinen verursachen konnen. Die Rechenstation am Zulauf der Klaranlage, die sich meist in Grob- und Feinrechen gliedert ubernimmt diese Aufgabe. Der Grobrechen besteht normderweise aus Zinken mit 5 - 10 cm Abstand und hat die Aufgabe den Fein rechen mit Zinken von 0,2-0,s cm bis max: 15 cm Abstand zu schutzen. Vor diesem soll der Einlaufkanal eine Erweiterung um 30-40% erhalten. Das hdt die Stromungsgeschwindigkeit unter max. 1,2 m/s und verhindert, dass die hydrodynamische Kraft der Stromung die von den Gittern aufgehaltenen Stoffe wegschiebt. Die Rechenstation werden meist doppelt ausgefuhrt zumindest soll immer ein Umgehungskanal vorhanden sein, der in Funktion tritt, falls der Rechen wegen eines Defektes nicht mehr arbeiten sollte. Die kontinuierliche Reinigung des Rechens wird heute fast immer automatisch durchgefiihrt. HSufen sich Feststoffe am Rechen, so bildet sich eine Pegeldifferenz vor und hinter dem Rechen. Wird eine vorgegebene Pegeldifferenz erreicht, so steuert ein Kontakt die mechanische Reinigung. Das benihrungslose Ultraschallmessprinzip oder die hydrostatische Pegelmessung mittels Druckaufnehmer ubernehmen diese Messaufgabe. Oft wird das Rechengut durch ein Forderband in einen Behdter neben dem Rechen gefordert. In diesem Fall ist eine Fiillstandsmessung des Rechengutes im Behdter mit einem zusatzlichen Ultraschallsystem interessant.

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15 Mess- und Regelungstechnik der Cesamtanlage

Neutralisation von Abwasser

In vielen Fallen hat Abwasser einen pH-Wert der deutlich vom neutralen Bereich um pH 7 abweicht. Nach der Laugenreinigung eines Anlagenteils in der Lebensmittelindustrie beispielsweise, liegen der pH-Werte hoher als pH 7. Bis das Abwasser im gereinigten Zustand aus der Klaranlage herauskommt, kann ein zu hoher oder ein zu niedriger pH-Wert aber schon folgende Schaden verursacht haben:

0

Abwasser mit einem pH-Wert von pH 6,15 oder niedriger greift metallische Bauteile wie Rohre, Ventile etc. an. Im Zusammenspiel von pH-Wert und Temperatur verandert sich die Loslichkeit vieler Substanzen. Wird der pH-Wert nicht in bestimmten Grenzen gehalten, so konnen sich Niederschlage und Ausfallungen bilden. Die Reinigungskraft der Mikroorganismen in der biologischen Stufe einer Klaranlage ist zwischen pH 6,s und pH 8,5 optimal. Bei pH-Werten groBer als pH 10,s oder niedriger als pH 4,3 stirbt die Biologie im Belebungsbecken ab.

Deshalb sehen die gesetzlichenAuflagen auch vor, dass nur Abwasser innerhalb eines Bereiches von pH 6,5 bis pH 8,5 eingeleitetwerden dad. Liegt der Wert augerhalb des gewiinschten Bereiches, so muss zuerst eine Neutralisation erfolgen. Zur Auslegung einer Neutralisationsanlage sind bestimmte Informationen notwendig. Diese sind Zuflussmenge und Schwankungen der Zuflussmenge Diese Informationen konnen iiber gangige Durchflussmesssystememit entsprechenden Registriergeraten erfasst werden Durchflussschwankungen beeinflussen die erforderliche Menge an Neutralisationsmitteln linear, sind also gut in den Griff zu bekommen. 0

pH-Wert des Zuflusses und Schwankungen des pH-Wertes

Hier ist in vielerlei Hinsicht Vorsicht geboten! Der pH-Wert ist eine logarithmische Skala, die erforderliche Menge an Neutralisationsmittelsteigt also exponentiell an. Bei extremen pH-Werten und Schwankungen ist eine Feedforward-Regelung vorzuziehen. Genaue Kenntnis der pH-Werte und des Neutralisationsverhaltenssind unverzichtbar hier helfen nur kontinuierlicheAufzeichnungen des pH-Wertesin Verbindung mit ereignisgesteuerten (vom pH-Wert abhangigen) Probenahme. In vielen einfachen Fallen wird eine Zweipunktregelungim Durchfluss ausreichen. Man gelangt aber relativ schnell an einen Punkt, wo dies nicht mehr der Fall ist und aufwendige Losungen geschaffen werden miissen. In jedem Fall wird die Auslegung einer Neutralisationsanlage ohne Kenntnis der angesprochenen Ausgangsdaten zu einem Gliicksspiel.

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15.4 Biologische Abwasserbehandlung 333

Sand- und F&ng

In der Klaranlage kann Sand zu Betriebsstorungen fiihren. Deshalb muss er aus dem Abwasser entfemt werden, und mar vor der Vorklarung oder - wenn diese nicht vorhanden ist - vor dem Beliiftungsbecken. Wegen des Dichteunterschiedes von Sand und Abwasser wirkt ein Sandfang als Schwerkraftabscheider. In mittleren und groferen Klaranlagen hat sich der beluftete Sandfang bew2hrt. Er besteht aus einem langen Rechteckbecken mit elliptischem oder trapezformigem Querschnitt, einer Sandablagerungsrinne an der Sohle und einer Beluftungseinrichtung, die den durchfliefenden Abwasserstrom in eine spiralfomige Bewegung versetzt, Das durchlaete Wasser verliert an Tragfahigkeit,wodurch eine gutes Absetzverhalten erreicht wird. Die Sandraumung erfolgt maschinell. Fett- und Olabscheidung geschieht in einem seitlich angehangtem Engsbecken das vom krafig durchstromten Sandfang durch Tauchwand und Beruhigungsrechen getrennt ist.

15.4

Biologische Abwasserbehandlung 15.4.1

Vorkl%rbecken Die im Abwasser enthaltenen Feststoffteilchen setzen sich im Vorklarbecken nach dem Gesetz der Schwerkraft ab. Von der Beckensohle werden die Schmutzstoffe als Roh- und Frischschlamm der Schlammbehandlung zugefiihrt. Die Verweilzeit des Abwassers im Vorklarbecken ist abhangig von der anfallenden Wassermenge sie betragt 1,s- 2 h. Entsprechend der Anlagengrofe und der Abwasserart sind verschiedene Vorklarbecken entwickelt worden. Beim hngsbecken erfolgt die Durchstromung in Engsrichtung. An der Zulaufseite der langgestreckten Becken sind die Schlammsammeltrichterangeordnet,in denen der abgesetzte Schlamm durch fahrbare Kratzer oder umlaufende Raumen gesammelt wird. Forderschilde in Hohe der Wasseroberflache W r e n den Schwimmschlamm zur Schlammsammelrinne. Von dort aus wird er zusammen mit dem abgesetzten Schlamm zur Schlammbehandlung gepumpt. Zur Steuerung der Schlammpumpe kommen zwei Messsysteme zum Einsatz: 1. Schlammspiegelmessung Erfassung des Schlammpegels im Abzugtrichter oder der Sammelrinne des Vorklarbeckens wird eine Ultraschallmessungeingesetzt. Mit dieser Messung wird der Schlammpegel unter Wasser erfasst. Beim Erreichen eines bestimmten Pegels (ma.) wird die Pumpe eingeschaltetund arbeitet solange bis ein minimaler Pegel Unterschritten wird. Diese Art der Regelung wird als Zwei-Punkt-Regelungbezeichnet.

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15 Mess- und Regelungstechnik der Cesamtanlage

2. TS-Gehalt:

Eine meist optische Messung erfasst den Feststoffanteil des Rohschlamms der abgepumpt wird. Bei unterschreiten eines bestimmten Feststoffgehalts wird die Pumpe abgeschaltet. Die Pumpe ruht eine bestimmte Zeit und wird dann wieder eingeschaltet. Die Ruhepause richtet sich nach Anlagengroge und der zu envartenden Schmutzfracht.

15.4.2 Biologische Abwasserreinigung 1 5.4.2.1

Biologische Stickstoffelimination

Die Stickstoffelimination erfolgt in zwei Schritten. Dem ersten Schritt, der Nitrifikation, folgt als zweiter Schritt die Denitrifikation [1,2]. Bei der Nitrifikation wird das Ammonium unter den Nitrosomas und den Nitrobactern oxidiert. NH:

+ 20,

+

NO;

+ H,O + 2HS

Bei der Denitrifikation werden die oxidierten Stickstofherbindungen in anoxischer Umgebung zu elementarem Stickstoff reduziert. 2NO;

+ 2H'

4

N,(T)

+ H,O + 5 / 2 0 ,

Nitrifikation

Der biologische Schadstoffabbau in Abwasserreinigungsanlagen erfolgt mit Schlamm. Der reine Kohlenstoffabbau im Belebungsbecken wird mit hoher Schlammbelastung und relativ kurzer Aufenthaltszeit des Abwassers im Becken erreicht (heterotrophe Bakterien). Bei einer Senkung der Schlammbelastung und einer Verlangerung der Aufenthaltszeitdes Abwassers im Becken werden nicht nur Kohlenstoffverbindungen weitgehend abgebaut bis hin zur Stabilisierung des Schlamms, sondern es beginnt auch die Oxidation der Stickstofherbindungen, die Nitrifikation, und zwar um so vollstandiger je niedriger die Belastung und je hoher die Temperatur ist. Entscheidend ist die mit der Senkung der Belastung verbundene Verlangemng des Schlammalters auf groBer zehn Tage. Hierdurch erhalten die empfindlicheren und langsamer wachsenden autotrophen Bakterien die Moglichkeit, sich im Becken anzusiedeln. Je weiter das Schlammalter gesteigert wird, um so sicherer wird die Nitrifikation. Die Nitrifikation erfolgt in zwei aufeinanderfolgenden Schritten. Zuerst wird Ammoniumstickstoff durch Bakterien der Gattung Nitrosomas zu Nitrit und dann das Nitrit vonviegend durch Bakterien der Gattung Nitrobacter zu Nitrat oxidiert. Da die Nitrobacter eine hohere Reaktionsgeschwindigkeit bewirken kommt es zu keiner Nitritakkumulation. In Abhangigkeit vom Schlammalter und der nitrifizierten Stickstomracht stellt sich eine bestimmte Nitrifikantenmenge ein. Die zeitlich umsetzbare Stickstoffmasse ist

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15.4 Biologische Abwasserbehandlung 335

deshalb begrenzt. Infolge der unvermeidbaren Zulauf- und Belastungsschwankungen wird im Wochenverlauf nicht immer eine vollsandige Umsetzung erreicht. Ein Anstieg der Ablaufkonzentration an Ammoniumstickstoff wird selbst bei ausreichend bemessenen Anlagen durch Zulaufspitzen der Stickstofbelastung verursacht. Besteht die Gefahr einer Grennvertiiberschreitungbzw. Ablaufspitzen die fiir den Vorfluter nicht tolerierbar sind, kann durch eine Erhohung der Sauerstoflkonzentration in der Belebung oder durch mehr Nitrifikationsvolumen der Belastung in gewissen Grenzen entgegengewirkt werden. Denitrifikation

In der Denitrifikationwird durch heterotrophe Mikroorganismen der oxidierte Stickstoff zu elementarem, gasformigen Stickstoff reduziert. Dies geschieht in Abwesenheit von gelostem Sauerstoff durch den Abbau organischer Kohlenstoffverbindungen. Die Abbaugeschwindigkeit bei der Denitrifikationwird durch organisch leicht abbaubare Kohlenstoffverbindungendeutlich gesteigert, so daf das Beckenvolumenund die damit verbundene Zeitdauer bei Anwesenheit von leichtabbaubarem Kohlenstoff geringer bemessen werden kann. Fiir eine Denitrifikation mussen folglich anoxische Bedingungen und ein ausreichendes Angebot an Nahrstoff fiir die Mikroorganismen geschaffen werden. Regelungen und Steuerungen zur Anpassung des benotigten Volumens und damit der am Umsatz beteiligten Denitrifikantenmenge tragen erheblich zur Stabiliut des Prozesses bei. Da die Bemessungstemperatur fur die Nitrifikation nur an wenigen Tagen unterschritten bnv. erreicht wird, kann ein Teil des Volumens fur die Denitrifikation genutzt werden. Bei intermittierendem Betrieb der Beluftung besteht die Moglichkeit die anoxische Phase zeitlich zu verlangern. Die Beluftungszeit ist auf jeden Fall so einzurichten, dass der insgesamt erforderliche Sauerstoffeintrag gewahrleistet ist. 1st der organisch leicht abbaubare Kohlenstoff im Verhaltnis zum Stickstoffnicht in ausreichender Menge vorhanden, so muss die beluftungsfreie Zeit verlangertbzw. das Denitrifikationsvolumen vergrofert oder organisch gebundener Kohlenstoff (beispielweise Methanol oder Ethanol) zudosiert werden. Hinsichtlich des okonomischen Aspekts sollte zusatzliches Substrat moglichst minimiert werden, weshalb hier eine Regelung zum Einsatz kommen sollte. Die Aufwendungen an Substraten sowie fiir die Behandlung und Entsorgung des zusatzlich anfallenden Schlammes konnen dadurch deutlich reduziert werden.

1 5.4.2.2

Phosphorelimination

Bei der Entfernung von Phosphor haben sich zwei Verfahren durchgesetzt. Neben der chemischen Phosphorelimination, bei der das Phosphat mit Hilfe von Fallmittel ausgef2llt wird, findet der biologische Abbau von Phosphor Anwendung. Dazu wird der Belebtschlamrn zuerst anaeroben und dann aeroben Bedingungen ausgesetzt. Im anaeroben Medium gibt der Schlamm Phosphor ab und in aerober Umgebung nimmt er mehr Phosphor auf als er zuvor abgegeben hat. Damit die zulassigen Grenzwerte nicht iiberschrittenwerden steht zur Sicherheit bei biologischen Phosphoreliminationen meist noch eine Faung zur Verfiigung.

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I5 Mess- und Regelungstechnik der Cesamtanlage 15.4.3

Verfahren

Bei den Verfahren der biologischen Stickstoffelimination kann zwischen zwei Gruppen unterschieden werden. In der ersten Gruppe werden Nitri- und Denitrifikation raumlich von einander getrennt, das zustromende Abwasser durchstromt die Zonen nacheinander. Hierzu zahlen vorgeschaltete (Abb. 15.4) sowie nachgeschaltete Denitrifikation und die Kaskadenanordnung. In der zweiten Gruppe laufen die Nitrifikation und die Denitrifikation an der selben Stelle, zeitlich nacheinander ab. Dazu gehoren die intermitterende sowie die alternierende NitrifikationlDenitrifikation (Abb. 15.5). Wird zusatzlich die Nachklarung in den Reaktionsraum integriert und im zeitlichen Ablauf des Verfahrens beriicksichtigt, handelt es sich um das SBR Verfahren. Bei der alternierenden Nitrifikation/Denitrifikation sind mindestens zwei getrennte Beckeneinheiten notig. Die Becken werden abwechselnd anoldsch und aerob betrieben, der Zulauf wird dabei stets dem momentan unbelufteten Becken zugefiihrt.

Abb. 15.4 Vorgeschaltete Denitrifikation

Abb. 15.5

Alternierende Nitrifikation/Denitrifikation

15.4 Biologische Abwasscrbchandlung

15.4.4 MSR-Strategie

Fur die Steuer- und Regelstrategien kommen bei der Messwertaufnahme verschiedene Messeinrichtungen zum Einsatz. Zum einen sind das On-Line-Prozessanalysengerate mit welchen die Ammonium-, Phosphat- bzw. Nitratwerte ermittelt werden, zum anderen sind das In-Line-Messgeratewie Nitratmesssonden, Sauerstoffmessungen oder bei kleinen Anlagen Ersatzparameterwie das Redoxpotential gemessen wird. 15.4.4.1 Nitrifikation

Zunachst ist eine qualifizierte Messung des Sauerstoffgehalts erforderlich. Die Wahl der richtigen Messstelle ist dabei von zentraler Bedeutung wobei die Durchstromungscharakteristik des Beckens ebenfalls entscheidend ist. Ein zu niedriger Sauerstoffgehalt in der Belebung verhindert einen ausreichenden Abbau der Schmutzfracht w h e n d eine zu hohe Sauerstomtonzentration in der Nitrifikation unwirtschaftlich ist. Uber die Beckenbeliiftung wird durch die Geblase mehr Luft eingeblasen als fiir den Abbau benotigt wird. Die Geblase werden in den meisten Fdlen so gefahren dass sich die Sauerstomtonzentration im Mittel auf 2 mg/L einstellt. Ein Ammoniumandyser im Ablauf der Belebung erkennt eine zu hohe Ammoniumfracht. 1st dies der Fall gibt es zwei Strategien. Es wird zusatzliches Beckenvolumen zur Nitrifikation venvendet. Urspriinglich abgeschaltete Belufter werden eingeschalten. Eine andere Moglichkeit besteht darin den Soll-Wert der Sauerstoffkonzentration zu Erhohen. Bei entsprechend niedrigen Ammoniumwerten wird der SollWert der Sauerstomtonzentration zuriickgesetzt bzw. die Beluftungsflache verringert. Die Erhohung des Sauerstoffsollwerteswird dabei nur bis zu einem bestimmten Wert vorgegeben, da ein hoherer Wert irn Vergleich der benotigten Mehrenergie zum Lufteintrag unwesentlich mehr Schadstoffabbau mit sich bringt. 15.4.4.2 Denitrifikation

Zur Steuerung der Denitrifikation ist die Ermittlung des Nitratwertes unverzichtbar. Neben Nitratandysern kommt heute immer haufiger die Nitrat-Inline-Messungzum Zug. Der Vorteil der Inline-Messunggegenuber dem Analyser liegt in der einfacheren nahezu wartungsfreien Handhabung. Die Messung wir hierzu im Ablauf der Denitrifikationszone installiert. 1st der organisch leicht abbaubare Kohlenstoff im Verhaltnis zum Stickstoffnicht in ausreichender Menge vorhanden, so muss die beluftungsfreie Zeit verlangert bzw. der Rezirkulationsstrom irn Verhdtnis z u m Zulauf verringert oder organisch gebundener Kohlenstoff (beispielweise Methanol oder Ethanol) zudosiert werden. Hinsichtlich des okonomischen Aspekts sollte zusatzliches Substrat moglichst minimiert werden, weshalb hier eine Regelung zum Einsatz kommen sollte. Die Ahendungen an Substraten sowie fur die Behandlung und Entsorgung des zusatzlich anfallenden Schlammes konnen dadurch deutlich reduziert werden. Nur die Messung von SauerstoK Nitrat und Ammonium erlaubt letztlich eine qualifizierte Steuerung der biologischen Stufe und damit eine Senkung der Betriebskosten.

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15 Mess- und Regelungstechnik der Cesamtanlage

15.4.4.3

Phosphor-Elimination

Neben Stickstoff ist Phosphor der Hauptdiingestoff, der die Gewassereutrophierung bewirkt. Da eine spiirbare Verminderung de Algenwachstums erst bei Konzentrationen unter 1 mg/L erreicht wird ist es das Ziel, den Klaranlagenablauf unter diesen Wert zu senken. In Wasser geloste Phosphate lassen sich nach einer Reaktion mit Chemikalien ausflocken und konnen durch Sedimentation als stark phosphorhaltiger Schlamm entfemt werden. Dies geschieht durch die Zugabe von Eisen- bzw. Aluminiumsalzen oder auch von Kalk. Um die Phosphatgrenzwerteeinzuhalten, wird zusatzlich zur biologischen P-Elimination diese chemische Fallung angewendet. Um die jederzeit einzuhaltenden Grenzwerte sicher zu erreichen, kann man die Anlage auf die grofite zu erwartende Wassermenge und Phosphatfracht einstellen. Das heifit, man dosiert Fallungsmittel (meist Fe2+oder Fe3+-Salzlosung)im Uberschuss. Unnotiger Chemikalienverbrauch, eine Verringerung der Saurekapazitat durch saure Fallungsmittel und die damit verbundenen Kosten sind die Folgen. Zuviel Fallungsmittel fiihrt auch zu Korrosionen an den maschinentechnischen Einrichtungen. Daher werden in der Praxis folgende Regelungskonzepte angetroffen: Das Fallungsmittel wird im Verhaltnis zur Zulaufmenge dosiert (Verhaltnisregelung) Die genauere und damit sicherere Regelung dosiert das Fallungsmittel in Abhangigkeit vom PO,-Analysatonvert. Bei hoher Phosphatfracht wird entsprechend mehr Fallmittel zudosiert.

15.4.4.4

lntermittierende sowie alternierende Nitrifikation/Denitrifikation

Da die Nahrstomelastung des Abwassers nicht immer gleich ist, kommt es bei einer reinen Zeitsteuerung zu starken Schwankungen bei den Nitrat- und Ammoniumablaufiverten der Klaranlage. Durch den Einsatz einer Redoxsteuerung konnen die Schwankungen beriicksichtigt werden. Das Redoxpotential kennzeichnet das Verhaltnis zwischen reduzierenden und oxidierenden Stoffen. Im zulaufenden Abwasser befinden sich iibenviegend Substanzen mit reduzierenden Eigenschaften. Durch die Beliiftungwird Nitrat (= oxidierter Stickstoff) gebildet und das Redoxpotential steigt an. Wahrend der Denitrifikation (unbeliiftet) wird Nitrat in molekularen Stickstoff umgewandelt (reduziert), das Redoxpotential sinkt. 1st das Nitrat abgebaut tritt ein Knick in der Redox-Kurve auf und es kann wieder beluftet werden (Abb. 15.6). Wahrend der Beliiftung steigt der Redox-Messwert an 0. Mit zunehmender Umsetzung des Ammoniums zu Nitrat, flacht der ansteigende Verlauf des Redoxpotentials ab. Bei unterschreiten von einer bestimmten Redoxpotentialnderung in einem festen Zeitfenster ist nahezu alles Ammonium zu Nitrat umgewandelt und die Belftung kann abgeschaltet werden und der Redoxwert nimmt kontinuierlich ab 0. Nach einiger Zeit ist der Sauerstoff veratmet. Der Redox-Messwert fdlt immer weniger ab 0.In dem Augenblick, in dem durch die Denitrifakation kein Nitrat

15.4 Biologische Abwasserbehandlung

Abb. 15.6

Funktionaler Ablauf der Redoxsteuerung

mehr abgebaut werden kann, d.h. kein Nitrat mehr vorhanden ist, f a t der RedoxMesswert stark ab (Redox-Knick)(9.Jetzt ist kein Nitrat mehr vorhanden, die Beliiftung kann wieder eingeschaltet werden 0. 15.4.4.5

Steuerung der RUcklauCchlammmenge

Der Rucklaufschlamm wird in Abhangigkeit der Zulaufmenge zuriick gepumpt. Regelungstechnisch geschieht dies durch einen Verhaltnisregelung zwischen dem gemessenen Zulauf und der gemessenen Riicklaufschlammmenge. 1st keine Zulaufmessungvorhanden kann der Schlammspiegel im Nachklarbecken als AusgangsgroBef i r die Schlammriickfihrung venvendet werden. Der optisch oder akustisch ermittelte Schlammspiegel wird dabei moglichst auf einem bestimmten Pegel gehalten. Wird beispielweise bei Niederschlag mehr Schlamm aus der Belebung ausgetragen so ist mehr Schlamm zuriickzufiihren da sonst der Schlammpegel in der Nachklarung ansteigen wiirde.

15.4.4.6

Ubenchussschlammabzug

Der biologische Schadstoffabbauin Abwasserreinigungsanlagen erfolgt mit Schlamm. Der reine Kohlenstoffabbauim Belebungsbecken wird mit hoher Schlammbelastung und relativkurzerAufenthaltszeitdes Abwassersim Becken erreicht. Bei einer Senkung der Schlammbelastungund einer Verlangerung der Aufenthaltszeitdes Abwassers im Becken werden nicht nur Kohlenstofierbindungen weitgehend abgebaut bis hin zur Stabilisierung des Schlamms, sondern es beginnt auch die Oxidation der Stickstoffverbindungen,die Nitrifikation,und zwar um sovollsttindigerje niedriger die Belastung und je hoher die Temperatur ist. Entscheidend ist die mit der Senkung der Belastung verbundeneverlangerungdes SchlammaltersaufgroBerzehnTage. Hierdurcherhalten die empfindlicheren und langsamer wachsenden Bakterien die Moglichkeit, sich im Becken anzusiedeln. Jeweiter das Schlammaltergesteigertwird,urn so sichererwird die

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15 Mess- und Regelungstechnik der Cesamtanlage

Nitrifikation. Das Schlammalterist folglich eine wichtige KenngroBe um die Stickstoffoxidation beurteilen zu konnen. Bei einer gut funktionierenden Nachklarung findet kein Schlammabtrieb statt und vereinfacht berechnet sich das Schlammalter trs aus.

Wobei TSBBder Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken, VBBder Beckeninhalt der Belebung, TS, der Trockensubstanzgehaltdes Uberschussschlamms und & der Volumenstrom des Uberschussschlamms ist. Zur Bestimmung des Uberschussschlammvolumens wird die Gleichung umgestellt zu:

Da das Beckenvolumen und Schlammalterals feste GroBen zu betrachten sind, ergibt sich der Abzug des Uberschussschlamms als Verhaltnis zwischen den Konzentrationen des TS-Gehalt im Belebungsbecken zum TS-Gehalt in der Schlammabzugsleitung.

Bei hohen Schlammkonzentrationen im Belebungsbecken wird zwar eine sichere Stickstoffelimination erreicht, jedoch benotigt vie1 Schlamm im Belebungsbecken eine hohe Grundatmung bzw. einen hoheren Sauerstoffbedarf. Um die Schlammproduktion bzw. den Sauerstoffbedarf moglichst gering zu halten, einen groBeren Anteil der Biomasse zu veratmen, d. h. weniger Uberschussschlamm abziehen zu mussen, ist eine Abzugregelung des Uberschussschlamms uber das Verhaltnis der Schlammkonzentrationen im Belebungsbecken und im Uberschussschlamm unverzichtbar. Der Uberschussschlammabzug ist generell ein sehr trager Vorgang, dies muss bei der Auswahl der Regelung beachtet werden. Der Vorteil der in Abb. 15.7 gezeigten Regelung liegt am Einhalten des konstanten Schlammalters [2]. Die Ermittlung der TS-Gehaltewird heute unter Einhaltung hochster Betriebssicherheit mit optischen MeBsystemen erzielt. Auslaufkontrolle

Die Messparameter der Auslaufkontrolle sind pH-Wert, Temperatur sowie teilweise eine Triibungsubenvachung. Zur Bestimmung der Schmutzfracht werden Mengenmessung und Probenehmer eingesetzt.

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15.5 Schlamrnbehandlung 341

15.5

Schlammbehandlung 15.5.1

Eindicker, Stapelbehalter

In Eindickern und Stapelbehdtem wird in der Regel der Fiillstand gemessen und der Inhalt angezeigt. Steuerbefehleregeln die Beschickung und Entleerung mittels Pumpen. Zur Messung des Fiillstandes eignen sich Echolot-Sensoren, aber auch Druckaufnehmer mit Tragkabel zum Einbau von oben. Die Echolotmessung erfolgt beriihrungslos und wird nicht durch die Schlammeigenschaften beeinflusst. Der Sensor wird auf einer robusten, eventuell schwenkbaren Halterung moglichst im Zentrum des Behalters angeordnet, Diese Position erlaubt die Erfassung das tiefsten Standes im Behtilter. Die sensorspezifische Blockdistanz (minimaler Abstand zur maximal moglichen Oberflache) muss beriicksichtigt worden. AuBerdem sollte der Sensor durch eine Schutzhaube gegen direkte Sonneneinstrahlung und Witterungseinflusse geschutzt werden. Bei extrem starker Schaumbildung im Eindicker oder Stapelbehater kann unter Umstanden der Schallimpuls der Echomessung absorbiert werden und die Messung gestort sein. In diesem Falle empfiehlt sich der Einsatz eines Druckaufnehmer. Dieser wird von oben in ein Schukrohr aus Kunststoff oder rostfreiem Stahl montiert, das in der Mauer oder auf der Wand liegt. Das Tragkabel wird mit einer Spannvorrichtung festgeklemmt. Fur Behdter mit entsprechender Ex-Zonen-Einteilungmussen bei der Gerateauswahl die Zulassungsbestimmungen und Installationsvorschriften beachtet werden. Der Triibwasserabzug wird mit einer optischen TS-Gehaltsmessung uberwacht. Damit wird sicher gestellt, dass ausschlieBlich Triibwasser und kein Schlamm abgezogen wird. Hierfur werden sogenannte automatisierte Triibwasserabzugeinrichtungen angeboten. An einem Galgen befindet sich eine Tauchpumpe deren Zulauf mit einer optischen Sonde uberwacht wird. Liegt die Sonde trocken so wird die Pumpe weiter in den Eindicker abgelassen. Zieht die Pumpe Schlamm wird die Pumpe abgeschalten und zuriickgezogen. Zur automatischen Steuerung von Schlammaustragspumpen werden auch uberlastfeste Drucktransmitter und Magnetisch-Induktive-Durchflussmesser(MID) eingesetzt. Der im Absetztank anfallende dicke Schlamm wird periodisch in den Faulturm gepumpt. Der abgepumpte Schlamm wird zusatzlich mit optischen Sensoren auf seinen TS-Gehalt uberwacht. Wird der TS-Gehalt zu gering wird die Pumpe abgeschaket.

Abb. 15.7

Der Uberschussschlarnrn wird aus dern Rijcklaufschlarnrnentnornrnen und nach dern Schlarnrnalter geregelt. Q: Feststoff;QQ: Verhaltnis der Feststoffgehalte; U: Rechengroge; FC: Durchflussregelung

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15 Mess- und Regelungstechnik der Cesamtanlage

15.5.2

Faulturm

An fur den Betrieb dieses Schlammbehaltersnotwendigen Daten werden ublicherweise erfasst: Volumen, Inhaltsmessung uber Fustandserfassung Temperatur, etwa zur Steuerung der Warmetauscher und zur Uberwachung. pH-Wert des Faulschlammes zur Uberwachung der Fadung Der Inhalt wird durch einen im unteren Bereich des Behalters mittels Mauerdurchfuhrung montierten Dmckaufnehmer erfasst. Ein Absperrventil erlaubt die Entfernung des Druckaufnehmers zu Kontrollzwecken ohne Entleerung. Besonders bei langen Mauerdurchfuhrungen kann man einen Spulstutzen fur die Spulung der Mauerdurchfuhrung mit Brauchwasser vorsehen. Dabei darf dar Druckaufnehmer eingebaut bleiben, sofern der maximal zulassige Druck an der Messmembrane wahrend des Spiilvorgangesnicht uberschritten wird. Bei Verwendung von Druckaufnehmern mit praktisch ,,wegfreien" Messsystemen kann in der Regel auf den Spulanschluss verzichtet werden. Der normalerweise im Faulturm herrschende, konstante Gasuberdmck wird beim Gerateabgleich kompensiert und nicht speziell gemessen. Die Temperatur wird mittels Pt-100 gemessen, welche in Schutzrohre mit Mauerdurchfuhrung montiert sind. Je nach Art und Betrieb des Fadturmes sowie der Umwalzung des Schlammes mussen eine oder mehrere Messstellen vorgesehen werden. Die Fiihlerlange soll so gewahlt sein, dass die temperaturempfindliche Spitze mit Pt100-Elementetwa 50 cm in den Schlamm hinein ragt. Zur besseren Warmeleitfahigkeit kann das Schutzrohr mit Flussigkeit gefullt werden. Die Temperaturmessung ist weitgehend wartungs- und unterhaltsfrei. Falls im Faulturm der pH-Wert gemessen werden soll, empfiehlt sich der Einsatz einer wartungsfreundlichen Prozessarmatur. Die Messelektrode muss regelmagig gereinigt und das Messsystem neu kalibriert werden. Die Prozessarmatur sollte deshalb an einer gut zuganglichen Stelle montiert sein. 15.5.3

Gasbehalter

Das im Gasometer gespeicherte Gasvolumen wird in der Regel zur Energieversorgung der Klaranlage verwendet. Auf der Inhaltsmessung basiert die Fernanzeige des Volumens und die Auslosung von Steuerbefehlen, etwa zur Ein-Ausschaltung von Gasmotoren, Heizung oder Fackel. Sie muss deshalb prazise und zuverlassig funktionieren. Die Gasproduktion und die Gasentnahme durch die einzelnen Verbraucher worden fur die Mengenbilanzierung meist zusatzlich gemessen. Die messtechnische Ausriistung muss den einschlagigen Ex-Zonen Vorschriften entsprechen. Beim Trockengasometerhandelt es sich um einen gasdichten Balg, welcher sich in einem geschlossenen Behalter oder Raum bewegt. Die Ausdehnung des Balges, wel-

75.5 Schlarnrnbehandlung

cher durch Platten beschwert ist, wird mit einem Ultraschallsensor beriihrungslos gemessen. Das Ausgangssignal ist in diesem Falle direkt proportional zum Gasvolumen. Bei der Montage des Sensors muss auf den einzuhaltenden minimalen Abstand zwischen Sensormembrane und Gasbalg im aufgeblasenen Zustand geachtet werden. Eventuell ist der Einsatz eines Schallfiihrungsrohresnotwendig. Eine Schutzhaube empfiehlt sich, falls der Gasometer im Freien aufgestellt ist. Die Sensorsignale fliefen uber einfache elektrische Verbindungsleitungen dem Messumformer in der Schaltwartezu, an dem die Abgleiche fiir Fiillhohe, Grenzstande und Alarmpegel durchgefiihrt werden. Da bei Gasometem immer mit entsprechender Ex-Zonen-Einteilung gearbeitet wird, sind die Gerate Zulassungsbestimmungen und Instatlationsvorschriften unterworfen. 15.5.4 khlarnrnentwisserung

Wie bereits in der Einleitung envahnt, gilt es fur Schlamme die uber private Entsorger oder auf Deponien entsorgt werden, den Nassschlamm moglichst gut zu entwassern, da ein hoherer Wasseranteil mit hoheren Entsorgungskosten gleichzusetzen ist. Aus diesem Grund werden Schlamme meist maschinell unter Zusatz von Entwasserungshilfsmitteln (Flockungshilfsmittel)entwassert. Zum Einsatz kommen dabei Kammerfilterpressen, Bandfilterpressen oder Schlammzentrifugen (auch Dekanter genannt) mit deren Hilfe Restwasseranteile von 75 - 60 % erreicht werden. 15.5.4.1 Prozessoptirnierung bei der Schlarnrnentwisserung und deren Einsparpotentiale

Bei der Entwasserung von Nassschlamm wird dem Schlamm vor der maschinellen Entwasserung ( im Weiteren beispielhaft ein Dekanter) Flodrungsmittel zu dosiert. In der Regel kommt hier eine Verhdtnisregelung zwischen der Flockungsmittelmenge zu dem Dekanter zustromenden Nassschlammvolumen zu tragen. Abhangig vom zuvor eingesetzten Verfahren kann der TS-Gehalt des Nassschlamms, dem Flokkungsmittel zu dosiert wird, stark schwanken (oft 3-8% TS-Gehalt).Die fm eingestellte Verhdtnisregelung fiihrt folglich zu einem uber- und/oder unterdosieren des Flockungsmittels. Eine TS-Gehaltmessung,die die Pumpe der Schlammabzugleitungdes Eindickers vor der maschinellen Schlammentwasserung steuert, schrankt des Feststoffschwankungen ein. Je nach Zusammensetzung und Oberflachenladung des Schlamms werden unterschiedlichste Polymere als Flockungsmittel eingesetzt. 1st die Schlammfracht des Nassschlamms hoher als das angenommene Verhdtnis der Regelung, wird zu wenig Flockungsmittel zu dosiert und der entwasserte Schlamm hat einen zu hohen Wasseranteil. Bei einer niedrigeren Schlammfrachtals angenommen wird zuviel Flockungsmittel zu dosiert, damit zu vie1 Flockungsmittel verbraucht, die Oberflachenladung

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343

344

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Mess- und Regelungstechnik der Gesamtanlage

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Zur Ent.

Nakchlamm

Abb. 15.8 Optimierte Schlammentwasserungdurch die Ermittlung der Schlammfracht

des Schlamms anders gepolt und ebenfalls eine schlechte Entwasserung erzielt. In beiden Faillen fiihrt der schlecht entwasserte Schlamm zu uberhohten Entsorgungskosten. Der Einsatz einer Messung der tatsachlich der Entwasserung zugefiihrten Schlammfracht ermoglicht eine Optimierung, so dass entsprechend der Schlammfracht die genaue Menge an Flockungsmittel zu dosiert werden kann und damit die best mogliche Entwasserung erzielt wird. Die Schlammfracht ermittelt sich aus dem Produkt einer Nassschlammvolumenmessung und einer TS-Gehaltesmessung, wie in Abb. 15.8 gezeigt. (Beispiel 5 % TS-Gehalt bei einem Nassschlammvolumenstrom von 100 m3/h ergibt 5 m3/h Restschlamm). Durch die zusatzliche Messung des anfallenden Triibwassers das uber einen Pufferbehalter ablauft, um den Schaum des schaumenden Triibwassers zu eliminieren, ist stets der Entwasserungsgrad bekannt (Zulaufmenge Nassschlamm zur Triibwassermenge). Beim Unterschreiten eines bestimmten Entwasserungsgrads kann die Entwasserung abgebrochen und die Parameter beispielsweise einer veranderten Situation mittels Laboruntersuchungen optimiert angepasst werden. Die Differenz von Nassschlamm und Triibwasser ergibt das Volumen des zu entsorgenden Schlamms (z. B.: 100 m3/h Nassschlamm und 80 m’/h Triibwasser ergibt 20 m3/h zu entsorgender Schlamm). Die Kontrolle des TS-Gehaltes vom entwasserten Schlamm erhalt man aus dem Verhaltnis der Schlammfracht zum Restschlammvolumen (5 m3/h Restschlamm dividiert durch 20 m3/h Restschlamm multipliziert mit 100% ergibt einen TS-Gehalt des entwasserten Schlamms von 25 %).

15.5.4.2

Mei3methoden zur Bestimmung des TS-Cehaltes von Schllmmen

Der TS-Gehaltwird in der Regel indirekt gemessen. Einsatz finden Dichtemessungen und Messungen die uber Lichtreflektionen arbeiten. Bei allen indirekten Messungen muss eine Kalibrationskurve zwischen der physikalischen Messgroge des eingesetz-

15.6 Chemikalienstation

I

345

ten Systems sowie dem TS-Gehalt des jeweiligen Mediums hergestellt und in regelmagigen Intervallen iiberpriift werden. Auf dem Prinzip der Dichtemessung werden folgende Systeme eingesetzt: 0

0

0

Ultraschallmessungen arbeiten uber dichteabhangige Dampfungen der Signale oder die Schallgeschwindigkeit, die ebenfalls von der Dichte abhangt ist. MeBsysteme die nach dem Prinzip der Corioliskraft arbeiten, andem abhangig von der Dichte ihre Resonanzfrequenz. Bei der radiometrische Bestimmung wird die Abnahme der Strahlung beim Durchstrahlen des Mediums zur Bestimmung des TS-Gehaltesausgewertet. Ein erhohter Aufwand beim Umgang mit radioaktiven Stoffen muss in Kauf genommen werden.

Alle drei Verfahren werden in der Regel in einer Druckleitung im Bypass betrieben, eine zusatzliche Pumpe kommt zum Einsatz. In nahezu druckfreier Umgebung ist Klarschlamm als inhomogen zu betrachten, je nach Zustand und Zusammensetzung hat er unterschiedliche nicht reproduzierbare Gasanteile. Fur den Schlamm bedeutet ein hoherer Gasanteil eine geringere Dichte als ein niedriger Gasgehalt. Durch die Druckerhohung in der Bypassleitung erhoht sich die Loslichkeit des Gases im Schlamm und er nimmt eine homogenere Struktur an. Der Druck der zum zuverlassigen Messen in der Leitung benotigt wird, hangt von der Empfindlichkeit des Me& systems ab. Mit optischen Megsystemen wird direkt in der Schlammleitung gemessen, aufwendige Bypasslosungen entfallen.

15.6

Chemikalienstation

Zur Abwasserbehandlung werden Chemikalien benotigt. Die Bildung von absetzbarem Schlamm mit Hilfe von chemischen Stoffen nennt man "chemische Fallung". Ftir die Behandlung des Faulschlammes und fur Neutralisationsvorgange sind neben Kallunilch, Eisen-111-Chloridauch Sauren und Laugen in Klaranlagen gelagert. Diese Substanzen sind als ,,wasserge&hrdende Stoffe" eingestuft und unterliegen somit den ,Verordnungen iiber Anlagen zum Lagem, Abfiillen und Umschlagen wassergefahrdender Stoffe". Eine der ganz wichtige Forderungen hieraus ist die Vexwendung von UberfCillsicherungen. Das sind Einrichtungen, die rechtzeitigvor Erreichen des zulassigen Fiillstandes im Behalter den Fiillvorgang unterbrechen oder akustischen und optischen Alarm auslosen. Die Messprinzipien, die hierbei zum Einsatz kommen, reichen von kapazitiven Messverfahren und LeitfAigkeitsprinzipien uber Systeme der Vibration bis hin zu Verfahren mit Auftriebskorpem (Schwimmer). Vorzugsweise werden kapazitive Messverfahren eingesetzt, da durch Beschichtung der Sonde mit PTFE ein kostengiinstiger, dauerhafter Korrosionsschutz erreicht wird

346

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15 Mess- und Regelungstechnik der Cesarntanlage

und die Messeinrichtung auch bei Ansatzbildung durch Kondensat oder auskristallisierende Flussigkeiten wartungsfrei und storsicher arbeitet. In Verbindung mit einem Signalauswertgerat mit automatischer, periodisch erfolgender Selbsttibenvachung wird eine hohe Betriebssicherheit erreicht. Bei grogeren Anlagen sind zur Fernanzeige des Fiillstandes der Chemikalienbehalter zusatzliche Standanzeiger vorzusehen. Es eignen sich sowohl beriihrungslos messende Ultraschallmessung. Mit Sensoren aus korrosionsbestandigem Kunststoff als auch kapazitive Messsysteme mit Stab- oder Seilsonden mit Beschichtung aus PTFE. Beim Einsatz der kapazitiven Messmethode in Kunststoflbehaltem (PP, PVC, GFK) braucht man eine zusatzliche Masseverbindung in Form einer zweiten Sonde (oder Doppelstabsonde!). Literatur [l]PECHER, K.H.: Moglichkeiten der Riickhaltung von Feststofen durch mechanische Einrichtungen an Regenentlastungsanlagen,ATV Schrifireihe, 1996. ATV, Hennef. [2] Merkblatt der Abwassertechnischen Vereinigung, M 266, 1997. ATV. Hennef.

Weiterfiihrende Literatur GEIGER, REGELE, A,: ,,Ubenvachungund Steuerung von Regenbecken und Pumpwerken", Entsorgung Praxis, 1998. Bertelsmann Fachzeitschrift GmbH, Giitersloh. REGELE, A,: ,,Steuern und Regeln der Abwasserreinigung bei der biologischen Stickstoffelimination", Entsorgung Praxis, 1998. Bertelsmann, Gutersloh. REGELE, A,: .,Optimierte Schlammbehandlung bei der Abwasseneinigung", EntsorgungPraxis, 1998. Bertelsmann, Gutersloh. Endress + Hauser, Abwasser, Mess- und Regeltechnik, 1992. Endress + Hauser Holding AG, Reinach CH Verschiedene Dmckschriften zur Geratetechnik und zu Applikationen der Firma Endress + Hauser Messtechnik.

I347

16

Regelantriebe Johannes Mertes

16.1

Einleitung

Die Entwicklung der Antriebstechnik war schon von Anbeginn an immer wieder von Bestrebungen und Versuchen gepragt, die Drehzahl einer Kraftmaschine an die Erfordernisse der Arbeitsmaschine anzupassen. Waren die ersten drehzahlverstellbaren Maschinen eher groger Leistung und einfacher Art wie z. B.: Dampfmaschinen, geregelt uber Dampfdruck und Menge Wasserkraftrnaschinen, geregelt uber Wassermenge Windkraftanlagen, verstellbar uber Flugelstellung so haben sich im Laufe der Zeit die Methoden verfeinert und die Leistungen nahezu grenzenlos erweitert. Heute werden elektronisch geregelte Antriebe im Leistungsbereich von einigen Watt bis 100 Megawatt erfolgreich in allen Anwendungsbereichen eingesetzt. Dabei haben sich sowohl leistungsspezifische Fortschritte herausgebildet (z. B. bei grogen Antrieben werden zunehmend geregelte Drehstrom-Hochspannungsmotoreneingesetzt) als auch branchenspezifische Spezialantriebeentwickelt (z. B. Servoantriebe fur Werkzeugmaschinen oder Unterwassermotoren fiir Pumpen) die sich exakt auf die jeweiligen Anwendungen einstellen. Im folgenden Abschnitt bekommen Sie zunachst einen Uberblick der am haufig sten eingesetzten und aktuellen technischen Varianten an Regelantrieben. Im Anschluss daran gebe ich einen Uberblick der momentanen Entwicklungstendenzen und zum Schluss wird ein Projektierungsbeispiel durchgerechnet.

348

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IG

Regelantriebe

16.2 Ubersicht der Varianten an Regelantrieben

Jeder Konstrukteur, Maschinenbauer und Betreiber von Anlagen stellt sich natiirlich zunachst die Frage: Komme ich mit einem normalen Motor ohne Drehzahlregelung aus oder ist fur die Aufgabe ein geregelter Antrieb erforderlich? Geregelte Antriebe sind teuer in der Anschaffung, benotigen einen groBeren Aufwand an Konstruktion und Projektierung, sind zusatzliche Fehlerquellen der Anlage und benotigen qualifiziertes Personal fur Bedienung und Wartung. Die Vorteile der Regelantriebe hingegen sind: Schonung der mechanischen Elemente durch sanftes Beschleunigen und Bremsen sowie bedarfsgerechte Drehzahl- und Kraftreduzierung verschleigfreie oder verschleigarme Drehzahlanpassung und damit geringere Kosten fur Wartung und Instandsetzung Verbesserung des Wirkungsgrades der Gesamtanlage und damit Energieeinsparung gute Anpassung an die Erfordernisse der Arbeitsmaschine und damit bessere Produktqualiat und Einsparungen an nachgeschalteten Maschinenelementen. Eine Abwagung von technischen und kommerziellen Aspekten sowie insbesondere eine Gegenuberstellung der Lebenszykluskosten, sollte dann zu der richtigen Entscheidung fiihren. Zu den Lebenszykluskosten gehoren alle Kosten, die im Laufe der gesamten Lebenszeit eines Antriebes anfallen. Dies sind: Anschaffungskosten Energiekosten Installations- und Wartungskosten Nachfolgend wird zunachst ein Uberblick uber verschiedene Moglichkeiten der Drehzahlregelungen gegeben und im zweiten Schritt wird der am haufigsten eingesetzte Regelantrieb genauer betrachtet. Erscheint ein geregelter Antrieb als sinnvoll, so steht man bei der Auswahl des richtigen Antriebes zunachst vor der Qua1 der Wahl. Eine Vielzahl an mechanischen, hydraulischen, pneurnatischen und elektrischen Moglichkeiten stehen zur Auswahl. Diese Vielfalt lasst sich im Detail in diesem kurzen Kapitel nicht annahernd beschreiben. Auf Grund seiner Vorteile wie Flexibiliat, Wartungsfreiheit und gunstigem Preis/ Leistungsverhaltnis hat sich heute in den meisten Industrieanlagen der elektrische Antrieb durchgesetzt. Dies gilt insbesondere fur die Branchen in denen Stromungsmaschinen angetrieben werden da bei diesen die Vorziige des Drehstrom-Asynchronmotors voll zumTragen kommen. Dam mehr in Abschnitt 16.3. Daher werden hier in erster Linie die elektrischen Regelantriebebetrachtet. Zunachst jedoch ein Beispiel fur mechanische Regelantriebe.

7 6.7 Einlcitung

16.2.1 Mechanische Regelantnebe

0

Vorteile - robuste Bauart - leicht zu bedienen - weltweit bekannte und einfache Technik Nachteile - schlechter Wirkungsgrad - hoher VerschleiB und damit - hohe Energie- und Wartungskosten - geringer Stellbereich Einsatzgebiete - VerstellgetriebeIRegelscheibenfiir einfache Anwendungen wie Fordertechnik, Pumpen und Ventilatoren (Abb. 16.1)

Die Drehzahl wird verandert, in dem die Regelscheiben durch Krafteinwirkung verstellt werden. Die Keilriemen laufen mit unterschiedlichen Durchmessem und verandem somit die Abgangsdrehzahl. Aufgrund der Nachteile von mechanischen Drehzahlverstellungen werden diese heute h u m noch fiir Neuanlagen eingesetzt. Im Gegensatz dazu spielt in vielen Bereichen des Maschinenbaus der elektronisch geregelte Antrieb eine wichtige oder zum Teil dominierende Rolle. Dies gilt um so mehr, je sBrker die Notwendigkeit zur Drehzahlregelung ausgepragt ist und Dynamik, Genauigkeit und Wartungsfreiheit verlangt wird. Insbesondere in den neuen innovativen Branchen wie Werkzeugmaschinen und Handhabungstechnik, aber auch in den klassischen Anwendungen wie Stromungsmaschinenund Fordertechnik haben sich die elektronisch geregelten Antriebe durchgesetzt. Dabei geht es jedoch nicht um Mechanik gegen Elektronik, sondern um das optimale Zusammenwirken zwischen mechanischen und elektroni-

Abb. 16.1

Mechanische Verstellgetriebe

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16 Regelantriebe

schen Komponenten wie z. B. geregelter Motor mit Kupplung, Getriebe und Spindel. Der Antrieb sollte optimal im Hinblick auf Funktionalitat,Anschaffungskosten, Energiekosten und Wartung projektiert werden.

16.2.2 Elektrische-/elektronische Regelantriebe

Die elektrischen Regelantriebe konnen wie folgt unterteilt werden.

16.2.2.1 SchleifiinglBufermotoren rnit untersynchrone Strornrichterkaskade (USK) oder Widerstandsschabng

Vorteile - sanfies Anfahren - kostengiinstige Alternative - hohes Anfahrmoment - nur geringe Stromrichterleistung erforderlich Nachteile - Schleifringe nicht wartungsfrei - nur begrenzter Regelbereich Einsatzgebiete - Hebezeuge und Fahrantriebe in der Krantechnik - Antriebe mit hohem Anfahrmoment oder groBer Massentragheit,wie z. B. Muhlen und Sichter - GroBantriebe zur Entlastung der Netze beim Hochfahren Die Drehzahlveranderung erfolgt durch Einpragung einer Gegenspannung in den Rotor der Asynchronmaschine mit Hilfe von Schleifringen. Ein netzgefiihrter Stromrichter arbeitet als Wechselrichter und speist die uberschussige Energie (Schlupfleistung) verlustarm ins Netz zuriick.

1 6.2.2.2 Cleichstromrnotoren rnit Strornrichter

Vorteile - groBer Drehzahlstellbereich - gute dynamische Eigenschaften - genaue Drehzahlregelung - hohe Leistungsdichte bei geringem Bauvolumen, geringes Gewicht - hohe Rundlauf- und Schwinggiite - guter Wirkungsgrad des gesamten Antriebssystems - giinstiges Preis-/ Leistungsverhaltnis Nachteile - Motor nicht wartungsfrei

1 6 1 Einleitung

- hohe Motorschutzart ist sehr aufwendig und teuer - Mehrmotorenantriebe nicht moglich

Einsatzgebiete Die Gleichstrommotoren bewaren sich zusammen mit Stromrichtergeraten als drehzahlveranderbare Antriebe in nahezu allen Bereichen der Industrie, z. B.: - in Walzwerken - in der Druckindustrie - in der Textil- und Chemiefaserindustrie - bei Hebezeugen Aufgrund der Vor- und Nachteile werden sie heute jedoch uberwiegend nur noch fur komplexe Antriebsaufgaben eingesetzt und nicht mehr fur einfache Standardanwendungen wie Pumpen, Ventilatoren, Fordereinrichtungen. Infolge der rasanten Entwicklung in der Drehstromtechnik findet zur Zeit eine Verdrangung der Gleichstromantriebe zu Gunsten der Drehstromtechnik statt. 1 6.2.2.3

Drehstrom-Asynchronmotorenmit Frequenzumrichter

Vorteile - groBer Drehzahlstellbereich - gute Dynamik - genaue Drehzahlregelung - giinstiger Drehstrommotor in hoher Schutzart - wartungsfrei - Mehrmotorenbetrieb moglich Nachteile - Frequenzumrichter sind gegenuber DC-Stromrichtern aufivendig und teuer Einsatzgebiete Frequenzumrichtergeregelte Drehstrommotoren werden praktisch in allen Branchen f i r fast alle Anwendungen eingesetzt. Sie eignen sich fur einfache Anwendungen wie Stromungsmaschinenoder Transporteinrichtungenals auch f i r komplexere Aufgaben wie z. B. Mehrmotorenantriebe, Hebezeuge, Extruder oder Wickler. Der Leistungsbereich ist weit gespannt von ca. 100 W bis mehrere MW. Da die robusten und preiswerten Asynchronmotoren sich bei den Anwendern groBer Beliebtheit erfreuen, wird in vielen FAlen immer wieder versucht die Aufgabe zunachst mit Asynchronmotor und Umrichter zu losen. Dies fiihrt dazu, dass heute die Frequenzumrichter in immer groBeren Stiickzahlen gebaut werden und damit zum preiswerten Standard geworden sind und den Markt beherrschen.

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IG Regelantfiebe 16.2.2.4

Servomotoren rnit Frequenzumrichter

Vorteile - sehr groBer Drehzahlstellbereich - sehr gute Dynamik - sehr genaue Drehzahlregelung - kompakte Motoren in hoher Schutzart Nachteile - teure Frequenzumrichter und Motoren Einsatzgebiete Drehstrom-Servoantriebe wurden in der Vergangenheit ubenviegend an Werkzeugmaschinen eingesetzt. Die Anforderungen waren zunachst fast ausschlieBlich auf hohe Dynamik und Positioniergenauigkeitfokussiert. In den letzten Jahren hat sich jedoch ein Trend zu preiswerteren Motoren fur branchenspezifische Anwendungen heraus kristallisiert. Dies sind z. B. Holzbearbeitung, Verpackungsmaschinen, Druckmaschinen, Kunststoff- und Glasherstellung. Auger den hier envahnten Regelantrieben existieren noch unzahlige weitere Varianten von drehzahlveranderbaren Antrieben, die hier nicht mehr vollzahlig wiedergegeben werden, da dies den Rahmen dieses Beitrages sprengen wiirde. Die 0.8. vier Varianten sind jedoch am weitesten verbreitet und gelten somit als typischer Querschnitt der Regelantriebe. Die rasch fortschreitende Entwicklung der Leistungs- und Steuerelektronik fiihrt zur standigen technischen Verbesserung und gleichzeitig zur Preisreduzierung der aufwendigen Frequenzumrichtertechnik, so dass bei Betrachtung der Lebenszykluskosten dieser Antrieb inzwischen allen anderen Regelantrieben uberlegen ist. Diese Entwicklung halt zur Zeit noch unvermindert an und wird den Kostenvorteil weiter ausbauen. Der Zukunftsantrieb besteht also aus dem robusten und wartungsfreien Drehstrom-Asynchronmotormit Frequenzumrichter. Im Folgenden wird daher die Betrachtung auf den Drehstrommotor mit Frequenumrichter begrenzt.

16.3 Drehstrorn-Asynchronrnotoren

Drehstrom-Asynchronmaschinen(Induktionsmaschinen) werden im gesamten Leistungsbereich von 100 W bis ca. 100 MW eingesetzt und haben heute sowohl bei einfachen ungeregelten als auch bei drehzahlgeregeltenAnwendungen eine dominierende Bedeutung. Sie werden uberwiegend als Motoren, in Ausnahmefallen (wiez. B. bei Windkraftanlagen) auch als Generatoren venvendet. Im Normalfall werden sie an einem symmetrischen Drehstromnetz (Sinusspannung mit 3 um 120" verschobene Phasen) mit konstanter Drehzahl betrieben. Der zur Drehmomentbildung notwendige Rotorstrom wird durch eine in der kurzgeschlossenen ,,Uufenvicklung" induzierte Spannung erzeugt. Um eine Spannung im Rotor zu induzieren, ist eine Flusdnderung erforderlich. Diese ist nur dann vor-

16.3 Drehstrom-Asynchronmotoren

handen, wenn eine Differenzdrehzahl, also ein Schlupf zwischen Sanderdrehfeld und lluferdrehfeld auftritt. Die Maschine lauft asynchron. Asynchronmotoren sind als Standardantrieb (am Drehstromnetz, ohne Regelung) und als Regelantrieb ftir einfache Anwendungen und ftir hochwertige Einsatzf2lle wie in Werkzeugmaschinen und Transferstragen verwendbar.

In Abb. 16.2 kann man die Vorteile des Asynchronmotors erkennen:

0

einfacher mechanischer und elektrischer Aufbau Motor besteht aus wenigen Teilen und kann somit kostengiinstig hergestellt werden auger den Lagem keine Verschleigteile einfacher und geometrischer Aufbau des Aktivteils

Die Motoren entsprechen verschiedenen nationalen Vorschriften und werden nach IEC-Publikation GO 034 ausgefiihrt. Darin sind die wichtigsten technischen Details wie z. B. Abmessungen, Leistungen, Anlaufierhalten, Anschlussbezeichnungen, Gerausche, Bauformen usw. festgehalten und genormt. Funktionsweise der Maschine

Das magnetische Feld in der Maschine dreht sich relativ zum Sander mit der synchronen Drehzahl n, und relativ zum llufer mit der Drehzahl s . n, = n, - n. Das Feld dreht sich iiber die Sanderwicklungen. induziert in den Sanderwicklungen eine Spannung, die nach der Lenz’schen Regel der Ursache entgegenwirkt. Um den Sunderstrom aufrecht zu halten, muss die Motorspannung groger als die induzierte Spannung (bei motorischem Betrieb) sein. Das Feld dreht sich uber den Uufer, induziert im Uuferk2fig eine Spannung und Strom fliegt im Euferufig. Die Kraft auf die

LM$moUbe Abb. 16.2 Schnittbild Asynchronrnotor

F&

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IG Regelantfiebe

stromdurchflossenen Leiter ergibt uber luferdurchmesser ein Drehmoment und die Drehzahl. Im Leerlauf ( n = ns, s = 0) dreht der l u f e r synchron zum Drehfeld, d. h. im l u ferkafig wird keine Spannung induziert, kein luferstrom und kein Drehmoment. Zur Drehmomentbildung ist jedoch zwischen SGnderdrehfeld und llufer immer eine Relativgeschwindigkeiterforderlich, also ein Schlupf s. Das magnetische Feld wird von den in den Stander- und llufenvicklungen flieBenden Stromen erzeugt. Die Drehzahl n der Motoren berechnet sich wie folgt: n, =

f . GO ~

P

n, = Synchrondrehzahl in U/min f = Netzfrequenz in Hz p = Polpaarzahl

Damit ergeben sich folgende Synchrondrehzahlen: 2-polig = 3000 U/min 0 4-polig = 1500 U/min 6-polig = 1000 U/min 8-polig = 750 U/min Die BetriebsdrehzahlnN ist abhangig von der Polpaarzahl, Belastung und vom Schlupf der Maschine.

Abb. 16.3

16.3 Drehstrom-Asynchronmotorcn

Wird der Motor mit Last direkt am Netz eingeschaltet,so ergibt sich folgendeAnlaufzeit:

t, = Anlaufzeit in s ] = Massentragheitsmoment in kgm2 nB = Drehzahlanderung in U/min MB = Beschleunigungsmoment in Nm MB = MM - M,

Die Anlaufzeit ist abhangig von dem Gesamttragheitsmoment und dem Gegenmoment der Last sowie von der Momentenkennlinie des Motors (Abb. 16.3). Sie sollte je nach Motorgroge nicht langer als 10 bis m a . 20 s dauern. Im Zweifel ist der Hersteller zu befragen. Fur die Dimensionierung des Drehstrommotors sind daher die folgenden Punkte von Bedeutung:

0

0

0

geforderte Dauerleistung geforderte Drehzahl Gegenmoment der Last (Losbrechmoment, Spitzenmoment, Dauermoment) Massentragheitsmoment von Motor und Last Wirkungsgrad des Motors Betriebsart (Dauerbetrieb, Aussetzbetrieb, Schaltbetrieb)

Es werden zwei Varianten von Asynchronmaschinen unterschieden: 1. Kurzschlusslaufer

Bestehen aus Drehstromwicklung im Sander. Die Euferwicklung besteht aus gleichmagig verteilten Kupfer- oder Aluminiumsaben, die am Ende durch einen Kurzschlussring miteinander verbunden sind. Daher wird der Asynchronmotor auch Ufiglaufermotor oder Kurzschlusslaufer genannt. 2. Schleifringlaufer Bestehen aus Drehstromwicklungim Sander und Drehstromwicklungim Uufer. Die Wicklungsenden der Euferwicklung werden zu Schleifringen gefiihrt und uber Kohlebursten nach a d e n gefiihrt. Fur drehzahlgeregelteAntriebe sind heute aufgrund der besseren Schutzart, der Wartungsfreiheit und der guten Regelbarkeit mit Frequenzumrichtem die Kurzschlusslaufermotoren von groBerer Bedeutung. Schleifringlaufermotorenwerden bei Neuanlagen uberwiegend nur noch bei wenigen Anwendungen wie z. B. Hubwerksantriebe und bei grogen Leistungen z u m Anfahren schwerer Lasten venvendet.

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76 Regelantriebe

Die Kurzschlusslaufermotorenwiederum unterteilen wir in dem weiten Leistungsbereich und in den unterschiedlichen Anwendungen in:

0

Norm-Asynchronmotoren 2-, 4-, 6- und 8-polige Drehstrommotoren fur Niederspannung in den Baugrogen 56- 315 M, ausgelegt fur Netzbetrieb und geeignet fur Umrichterbetrieb. Max. Leistung 132 kW bei Nenndrehzahl 1500 U/min. Kompakt-Asynchronmotoren Sondermotoren in kompakter Bauweise, &r Betrieb mit Frequenzumrichtern, ausgeriistet mit Fremdlufter und Drehzahlgeber. Sie sind geeignet fur sehr hohe und fur sehr niedrige Drehzahlen. Transnormmotoren Drehstrommotoren fur Niederspannung in den Baugrogen 315 L, 355, 400, und groger, Leistungen ab 132 kW bis ca. 1 MW. Hochspannungsmotoren Drehstrommotoren fur Betrieb mit Hochspannung (z. B. 3, 5 oder 10 kV) in den Baugrogen ab 315.

An dieser Stelle sei noch darauf hingewiesen, dass es groge Unterschiede in der Effizienz der Motoren gibt. Ein Vergleich der Wirkungsgrade und eine Kostenrechnung auf die Lebensdauer der Anlage oder der Motoren ist daher angebracht. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Anlage hohe Betriebsstundenzahlen erbringen muss. Fur die Norm-Asynchronmotorengilt in Europa seit 01.01.2000 eine Einteilungspflicht in Wirkungsgradklassen. Die zwei-, und vierpoligen Motoren werden im Leistungsbereich von 1,1-90 kW in drei Wirkungsgradklassen eingeteilt. Die Wirkungsgradermittlung wird nach IEC60634-2 durchgefiihrt und teilt sich wie folgt auf in: 0 0 0

effl - High Efficiency eff2 - Improved Efficiency e m - Standard Motors

Die Kennzeichnung der Motoren erfolgt auf dem Leistungsschild. Der Unterschied der Verlustleistungen zwischen den Wirkungsgradklassen ist so merklich, dass es in jedem Fall lohnt, einen Kostenvergleich durchzufiihren und ggf. die bessere Klasse zu wahlen. Neben den Energiekosten hat der bessere Wirkungsgrad noch weitere Vorteile wie z. B. weniger Verlustwarme, langere Lebensdauer der Wicklung und hohere thermische Reserve der Motoren.

16.4

Ceregelter Drehstrorn-Asynchronrnotor rnit Frequenzurnrichter

Je nach Leistungsklasseund Anwendung gibt es auf dem Markt nicht nur die verschiedenen Varianten von Drehstrommotoren (wie in Abschnitt 16.3 beschrieben) sondern auch diverse Varianten von Frequenzumrichtern. Hier einige Beispiele:

16.4 Ceregelter Drehstrom-Asynchronmotor rnit Frequenzurnn'chter

/5 /'

Abb. 16.4

0

0

Kennlinien des Drehstrommotors rnit Frequenzumrichter

Direktumrichterantriebe Spannungszwischenkreisumrichtermit variabler Zwischenkreisspannung Spannungszwischenkreisumrichtermit konstanter Zwischenkreisspannug Stromzwischenkreisumrichter mit maschinengefiihrtem Wechselrichter Stromzwischenkreisumrichter mit selbstgefiihrtem Wechselrichter

Dieweitausgrogten Stiidaahlen fmdenwirheuteim LeistungsbereichderNormmotoren bei 130 kW. Dort werden am haufigsten Spannungszwischenkreisumrichter mit konstanter Zwischenkreisspannungeingesetzt. Diesen Antrieb betrachten wir nachstehend genauer. Dazu sehen wir uns zunachst die Drehmoment-Drehzahl-Kendiniedes A s p chronmotors mit Umrichter in Abb. 16.4 an. Man erkennt, dass der Motor keine feste Drehzahl mehr hat, sondem beliebig zwischen 0 und einer max. Drehzahl eingestellt werden kann.Der Drehstrom-Asynchronmotorwird damit zum Universalantrieb. Der Umrichter stellt an seinem Ausgang ein Drehspannungssystem variabler Amplitude U, und variabler Frequenz fi zur Verfugung. Bestimmungsgleichungen f i r den Motor sind: Motordrehzahl n N Frequenzfi des speisenden Netzes (Schlupf vemachlassigt) + Anderung von n sind uber Anderung vonfi moglich

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11 Regelantriebe

-

Motorspannung U, induzierter Spannung (Verluste vernachlassigt), d. h. Fluss 4 x Drehzahl n + bei einer Anderung von n muss auch U, angepasst werden Bei Asynchronmaschinen ist Kippmoment M, ( U2/fi),

N

-

Das Drehzahlstellen bei Umrichterbetrieb erfolgt daher durch gleichzeitige Variation von U, und fi. Dabei unterscheiden wir zwei Bereiche:

Grunddrehzahlbereich/Konstantflussbereich: - Der Umrichter wird so gesteuert, dass das Verhalmis U2/hkonstant bleibt (d. h. halbe Drehzahl + halbe Frequenz + halbe Spannung) - Hier gilt im gesamten Drehzahlbereich: M = konst., Mk= konst., Leistung P

steigt linear mit n Feldschwachbereich: U, = U,,, = U, = konst. (max. Umrichterspannung) - Sol1die Drehzahl iiber die Bemessungsdrehzahl hinaus erhoht werden, so muss fi groBer werden. Da U,nicht weiter vergroBert werden kann, muss der Fluss 4 geringer werden, und zwar in dem MaBe wie die Drehzahl n groBer wird. Der Drehzahlbereich iiber Nenndrehzahl nennt man daher Feldschwachbereich. Hier gilt: Fluss, 4 l/n, Motordrehmoment M geht mit l / n und M, mit I / n 2 zuriick - Leistung P bleibt konstant N

Der Stellbereich des Motors ist somit begrenzt durch die Maximaldrehzahl und die Grenzkennlinie. Die Maximaldrehzahl ist eine rein mechanische Grenzdrehzahl, die abhangig von der Motorart, Polpaarzahl und BaugroBe stark unterschiedliche Werte haben kann. In der Regel erfahren Sie diese vom Hersteller. Drehrnoment-Crenzkennlinie

Die Drehmoment-Grenzkennlinie ist im Konstantflussbereich abhangig vom Kippmoment des Motors sowie von Ausgangsspannung und Ausgangsstrom des Umrichters. 1st das Steuerverfahren so optimiert, dass iiber den gesamten Konstantflussbereich die volle Spannung zur Verfiigung steht, so kann der Motor auch das volle Moment abgeben. Da das Drehmoment jedoch nicht nur von der Spannung, sondern auch vom Strom abhangig ist, muss natiirlich die Umrichterleistung so gew< werden, dass dem geforderten Drehmoment der entsprechende Strom zur Verfugung steht. Im Feldschwachbereich ist das Kippmoment Mk l/n2, d. h. bei doppelter Drehzahl steht nur noch 1/4vom Kippmoment zur Verfiigung. Hier sollte man sich genau iiber den Drehmomentverlaufder Last im klaren sein. Zur Sicherheitvor Netzschwankungen groBer 5 % ist es ratsam, mit dem max. Lastmoment einen Abstand von 1,3 zum Kippmoment zu halten. N

7 6.4 Ceregelter Drehstrom-Asynchronmotormit Frequenzurnrichter

(?)

I

2

Mknenn 4= 7 ’

Aufbau und Funktionsprinzip der Spannungszwischenkreisumrichter

Die grogte Marktbedeutunghaben zweifellos Spannungszwischenkreisurnrichterrnit konstanter Zwischenkreisspannnung und Wechselrichterrnit Pulsbreitenrnodulation (Abb. 16.5). Die Frequenzurnrichter haben einen Zwischenkreis rnit konstanter Spannung, der aus dern Plus- und Minuspunkt besteht. Alle Spannungszwischenkreisurnrichter (UUrnrichter) sind in dieser Technik aufgebaut. Es werden heute Leistungen von 100 W bis zu rnehreren MW realisiert. Die Urnrichter bestehen irn wesentlichen aus folgenden Funktionseinheiten: Einspeisung Hier rnit sechspulsiger Diodenbriicke fur 1-Q-Betrieb.Die Diodenbriicke erzeugt aus dern Drehstrornnetz eine Gleichspannung. Zur Verringerung der Netzriickwirkungen werden rneist noch Netzkornrnutierungsdrosseln und Funkentstorfilter (hier nicht dargestellt) vorgeschaltet. Fur Anwendungen mit generatorischern Betrieb kann die Einspeisung auch fiu 4-Q-Betrieb (d.h. treiben und brernsen in beiden Drehrichtungen)ausgelegt werden. Dam wird die Diodenbriicke rnit einer antiparallelen, gesteuerten Thyristorbriicke erganzt, welche die uberschussige Energie ins Netz zuriick speist.

Motor

I

Netzanschluss:

z.B. 3 AC. 400V

Zwischenkreis (DCSchiene): Kondensatoren mit gleichgerichteter Netzspannung M. 1,35 400V = 54OV

Abb. 16.5 Aufbau Spannungszwischenkreisurnrichter

Variable Spannung und _Freq_uenz 0 5 u,s 5 f, 5 ,,f

u

359

360

I

7 1 Regefantriebe

Fur Netzriickspeisung stehen seit einigen Jahren auch die moderneren selbstgefuhrten, gepulsten Ein-/ Ruckspeiseeinheitenzur Verfugung. Diese sind in punkto Netzriickwirkungen und Betriebssicherheit wesentlich verbessert. Zwischenkreis Gleichspannungszwischenkreis mit Kondensatoren. Hier wird die Einspeisung vom Wechselrichter entkoppelt, die gleichgerichtete Netzspannung geglattet und die Blindleistung der Motoren erzeugt. AuBerdern dienen die Zwischenkreiskondensatoren als Energiepuffer bei schnellen dynamischen Vorgangen im motorischen und generatorischen Betrieb. Fur energiereichen generatorischen Betrieb kann der Zwischenkreis noch mit einem Bremsregler ausgestattet werden. Damit kann uberschussige Energie mit Hilfe eines Widerstandes in Warme umgewandelt werden. Wechselrichter Der Wechselrichter erzeugt an seinem Ausgang durch Pulsbreitenrnodulation ein Drehspannungssystem variabler Amplitude U, und variabler Frequenzf,. Die Amplitude U, kann dabei maximal so grog wie diejenige der Netzspannung U, sein. Die maxirnale Frequenzf, wird durch den Wechselrichter bestimmt. Erreicht wird dies durch geeignetes Ein- und Ausschalten des Wechselrichters.Dabei ist aber der Spannungsverlauf am Wechselrichterausgang nicht sinusforrnig wie hier prinzipiell dargestellt, sondern die Zwischenkreisspannung wird in Blocken zu- und abgeschaltet und so moduliert, dass sich am Ausgang ein sinusformiger Mittelwert der Spannung und im Motor ein sinusformiger Strom bildet.

16.5

Ausblick

Die zukiinftige Entwicklungwird weiterhin zu verbesserter Technik und Kostenreduzierung fuhren sowie neue Varianten an geregelten Antrieben hervorbringen, die sicher alle ihre Berechtigung in den einzelnen Anwendungsbereichen und Nischen haben. Dominieren wird weiterhin der drehzahlgeregelte Asynchronmotor mit Frequenzumrichter. Hier wird sich der Fortschritt in den elektronischen Bauteilen fur Regelung und Leistung mit Sicherheit in den nachsten Jahren noch beschleunigen, da die grogen Umrichter- und Bauteilehersteller zur Zeit intensiv ihre Produkte und Systeme innovieren. Die verschiedenen Entwicklungstendenzenkann man wie folgt zusammenfassen: Integration von Umrichter und Motor Frequenzumrichter und Motor werden zu einer Einheit (Abb. 16.6). Dies spart Platz im Schaltschrank und Verkabelung zwischen Umrichter und Motor. Totale Komrnunikation Die Regelantriebe sind nicht mehr nur Stellglied,welches uber analoge oder binare Schnittstelle von einer ubergeordneten Steuerung kontrolliert wird, sondern die modernen Umrichter

16.6 Projektierung/Anwendungsbekpiel

Abb. 16.6 Urnrichter und Ivlotor bilden eine Einheit

- sind kommunikationsfiihigz. B iiber Profibus und lassen sich komplett hieriiber

betreiben

- verfiigen iiber entsprechende Software urn sich leicht in die gingigen Steuerungen einbinden zu lassen z. B. in SIMATIC S7 mit STEP7 - sind mit Steuer- und Regelungstechnik integriert und haben SPS-Funktionen

sowie Druckregelung oder Positionierfimktionen Easy to use Verbesserte Inbetriebnahme und Bedienung uber Bedienfeld, PG, PC oder Leitsystem. Kleiner, kompakter, leistungsfahiger um in erster Linie die wirtschaftlichen Vorteile besser nutzen zu konnen und mit Hilfe von hoheren Stiickzahlen kostengiinstiger Stiickpreise zu erzielen. Technologie integriert Software, Steuerfunktionen, Kommunikation, SPS-Funktionalitatsind bereits in der Grundsoftware enthalten.

16.6 Projektierung/Anwendungsbeispiel

Folgende Kriterien sind bei der Auswahl des Antriebes zu beriicksichtigen: mechanische Grenzdrehzahl thermische und dynamische Momentengrenzen, s. Kennlinie in Abschnitt 16.4 Grenzkennlinien fur Umrichterbetrieb, s. Kennlinie in Abschnitt 16.4 stationarer Betrieb der Maschine: thermisches Drehmoment bei Dauerbetrieb unter Beriicksichtigung von Faktoren wie Umgebungstemperatur, Aufstellungshohe, Warmeklasse, Uberlast Netzspannungsschwankngen gr6Ber +/- 5 %

I

361

362

I

7G Regelantriebe

Fur den Frequenzumrichter gelten folgende Auswahlkriterien:

0

0

Einachs- oder Mehrachssystem thermische und dynamische Stromgrenzen unter Berficksichtigung von Umgebungstemperatur, Aufstellungshohe und Uberlastfaktor 1-Q-Betrieboder 4-Q-Betrieb, 4-Q-Betrieb mit oder ohne Netzrfickspeisung Art der Steuer- und Regelungsart - U/f -Steuerung fur Mehrmotorenbetrieb und fur einfache Anwendungen - Vektorregelung ohne Istwertgeber fur hohere Anforderungen an Dynamik und Drehzahlgenauigkeit - Vektorregelung mit Istwertgeber fur hohere Anforderungen an Dynamik und hochste Anforderungen an Drehzahlgenauigkeit - Vektorregelung mit Lageregelung fur hochste Anforderungen an Dynamik und hochste Anforderungen an Drehzahlgenauigkeit

Fur die richtige Auswahl sind jedoch nicht nur die 0.g. Daten der Motoren und Umrichter von Bedeutung, sondern ebenso wichtig ist es die Lastverhaltnisse an der Arbeitsmaschine genau zu kennen. So haben beispielsweise Pumpen ganz andere Lastkennlinien wie Hebezeuge oder Wickler. In Abb. 16.7 sind die drei wichtigsten Arten von Lastkennlinien zu sehen. Anwendungsbeispiel

Forderpumpe rnit M

-

n2

Eine Kreiselpumpe sol1 mit Drehstrommotor und Frequenzumrichter betrieben werden. Die Daten der Pumpe sind: 0 0

Leistungsbedarf 85 kW bei 1670 U/min (ca. 490 Nm) Tragheitsmoment 2,3 kgm2 Hochlauf und Rucklauf in 10 s

Zunachst erkennt man, dass der maximale Arbeitspunkt der Pumpe jenseits der Nenndrehzahl eines vierpoligen Motors liegt. Damit stellt sich die Frage nach der Polzahl des Motors. Da mit Umrichter eine variable Drehzahl mit jedem Motor gefahren werden kann, haben wir hier die Moglichkeit einem vierpoligen Motor (Nenndrehzahl ca. 1480 U/min) im Feldschwachbetrieb zu betreiben oder einen zweipoligen Motor (Nenndrehzahl ca. 2970 U/min) im Konstantflussbereich zu betreiben. Welche Variante ist die technisch optimale und preiswerteste? Da die vom Motor abgegebene Leistung P proportional zur Drehzahl n ist, konnte der zweipolige Motor nicht mit seiner vollen Leistung gefahren werden.

Im Verhaltnis der Motornenndrehzahl zur Arbeitsdrehzahl(2970/1670 U/min = 13)

I

76. G ProjektierunglAnwendungsbeispiel

r

A M=Lastmoment

M=Lastmoment:

M=Lastmoment

P=Leistung

-Leistung

Drehzah1.w

~

I

Drehzahl -b

0 Ventilatoren 0 Pumpen 0 Zentrifugen 0 Verdichter

Abb. 16.7

Drehzahl

0 0 0

Hebezeuge Kolbenpumpe Walmerke

0

0 0

*

Wickler Spuler Drehmaschinen

Lastkennlinien

musste daher der Motor grof3er dimensioniert werden als die geforderte Leistung bei 1670 U/min. Der vierpolige Motor hingegen erreicht bereits bei 1480 U/min seine Nennleistung und kann im Feldschwachbereich zunachst konstanter Leistung abgeben. In diesem Fall ist also der vierpolige Motor die bessere Liisung. Bei hoheren Drehzahlen oder anderen Anwendungen kann man jedoch zu einem anderen Ergebnis gelangen. Wir wahlen daher folgenden Motor:

0 0 0 0

363

Bemessungsleistung 90 kW Bemessungsdrehzahl 1485 U/min Bemessungsstrom 160 A Bemessungsdrehmoment 579 Nm Tragheitsmoment 1,6kgm'

Der Motor scheint fur diese Leistung geeignet zu sein. Hierbei sind jedoch noch die oben erwahnten Faktoren wie Umgebungstemperatur, Aufstellungshohe, Uberlast und Spannungstoleranz zu beriicksichtigen.Weicht einer oder mehrere der Faktoren von den Bemessungswerten ab, so k a dies ~ zu einem grogeren Motor fiihren. Auch die Ausnutzung der Wsrmeklasse spielt eine wichtige Rolle. So muss zum Beispiel bei einer Temperaturerhohung der Kiihlluft von 40 auf 50 "Ceine Leistungsreduzierung von ca. 8 % vorgenommen werden.

364

I

IG Regelantriebe

Die Beschleunigungder Tragheitsmomente spielt in vielen Fallen eine untergeordnete Bedeutung. Dies gilt in der Regel auch fur Kreiselpumpen. Zur Vollstandigkeit der Projektierung werden wir dies jedoch hier genauer untersuchen. Das erforderliche Beschleunigungsmornent zum Hochlauf in 10 s berechnet sich wie folgt:

Hochlaufzeit MBeschl. 68 Nm t,

Daraus ergibt sich das Gesamtmoment bei maximaler Leistung von Mges,= M,

+ MBeschl = 558 Nm

Das Motornennmoment im Maximalpunkt (Feldschwachbereich)betragt M = MNenn. nNenn n ~

-

514 Nm

Damit ist fur die Beschleunigung ein Uberlastfaktor von 558 Nm/514 Nm = 1,Ogfach erforderlich. Dies ist bei der Dimensionierung des Frequenzumrichters zu beriicksichtigen. Der Umrichter muss den 1,08fachen Strom fuhren kiinnen. Dies ist jedoch nur kurzfristig erforderlich, da die Lastkennlinie P N n2 erst bei Erreichen der Enddrehzahl an diesewerte heran kommt. Fur diesen Fall ist dies folglich unproblematisch. Das Kippmoment des Motors sollte, wie oben erwahnt, einen ausreichenden Sicherheitsabstand (mind. 1,3fach) zum max. Lastmoment haben.

Mit 986 Nm hat das Kippmoment Mk des Motors bei der Maximaldrehzahl ausreichenden Sicherheitsabstand zum Lastmoment mit 558 Nm.

I

Register a a-Werte 152-156 Abflusssteuerung 328 Ablagerung 277 Ablaufkontrolle 13 Abluft 232 - Abluft 1 Abgas, Anforderungen 265 -Methode 206 - Ventilator 183 Abscheidegrad 273 AbsorptionsschalldXmpfer 176 Abtransport, Klirschlamm 21 Abwasser - Behandlung, biologische 333-340 - Forderschnecke 4, 5 - Pumpwerk 3 - Zufluss 3 Abwasserreinigung 1ff - biologische 7-13 - mechanische 5-7 Agglomerieren 228 Aluminium 304 Aluminiumoxid 303, 308 Ammoniumanalyser 337 Adage. Kennlinie 49, 53, 189 Anlaufentlastung 178 Anlauffarbe 247 Anode 287, 289 - anodische Reaktion 288, 291, 296 Ansaugfilter 179 Ansaugschalldampfer 176 Anstr6mwinkel 306 Antriebsleistung 173 Antriebsrad 254 Aquivalente 239 - Nickel 239 - Chrom 239 Armatur, Anforderung 273-275 Atrnosphke, explosionsfihige 310

Auftragschweihng 308 Auslaufkontrolle 340 Automatisierungsgrad 267, 284 Axialkraft, Kreiselpumpe 75, 76

b Bandbeliiftungssystem 145 Bandfilterpresse 19, 282 Bandraumer 260 Batchdosierung 214 Beanspruchung. SuRere 230 Bedienbarkeit 238 Behiilterausriistung 16 Belastung. dynamische 237 Belebungsanlage 8, 9, 275 Belebungsluft 232 Belebungsverfahren 8 Beliiftungseinrichtung 143 - Ablagerung 209 -Alterung 209 - Anzahl 160 - Auslegung 208 - Bemessung 158-160 - Instandhaltung 208 Berechnung, statische 237 Beschafkngskosten 235 Beschichtung - anorganische, nichtmetallische 303 - metallische 302, 303 - organische 302 Betriebskosten 201, 268, 279 Betriebspunkt, Verdichter 188 Betriebsstorung 264 Biegefestigkeit 233 biologische Reinigung 7 Bioreaktor 7 Blockheizkraftwerk 16 Bodenraumeinrichtung 251 Bodenschild 255

365

366

I

Register

Bogenrechen 29 Brandklasse 234 Bundesimmissionsschukgesetz (BImSchG) 265, 280 C

Chlor 227 - Chloramin 227 - Chlordioxid 227 - Chloridionen 241 ff Chromverarmung 298 C0,-Emmission 266, 269 Containeradage 40, 41 Containerverfahreinrichtung 42

d Dekantierzentrifuge 19 Denitrifikation 334, 335, 337 - Denitrifikationszeit 216 Denitrifikation 10 Deponierung, Klarschlamm 282 Desinfizieren 228 Dichtemessung 271 Dichtspalte 126, 127, 169 DichtungsverschleiP 126 Doppellenkerrechen 29, 30 Dosieren, kommun.de Abwasserreinigung 221-228 - reproduzierbare 221 Dosierleistung 224 Dosierleitung 223 Dosierpumpe 221 Dosierstation 221 Dosierstelle 224 Dosierventil 224 Drallregelung, Turboverdichter I90 Drehkolbengeblase 165-183 - Aggregate 175-179 - Arbeitsweise 166 - Auslegung 175 - Forderraum lG6ff - Gehause 166 - Regelung 175 - - Druckregelung 179 - - Liefermengenregelung 180 - Rotoren 166 - Synchronrader 166. 170 - Wartungstipps 171 Drehkolbenverdichter 186, 275 Drehstrom-Asynchronmotor 348, 351, 355 - Aufbau, mechanischer 353 - Betriebsarten 355 - Drehzahl 354 - Feldschwachbereich 358

- Funktionsweise 353 - Kippmoment 353 - Momentenkennlinie 354, 358 - Schlupf 353 - Stellbereich 358 Drehzahl - spezifische 48, 58 - Regelung 4 - - Turboverdichter 189, 190 - Wachter 179 Druckdifferenz, abzudichtende 124, 125 Druckluftbeliiftungssysteme 143 - feinblasige 144-150 - flachendeckend 145 - Optimierung 202-219 Drucklufterzeuger 150 Druckluftheber 6 Druckschalldampfer 176 DruckstoP 65 - Berechnung 237 Drucktransmitter 341 Druckverlust 274 Durchlaufbecken 328 e Edelstahl 269, 275 Eignungsnachweis 249 Eindickung, Klarschlamm 13, 270 - maschinelle 15 Einlaufkammer, Pumpe 63 Eisen, unlegiertes 301 Eisen-111-Chlorid 232 Ejektor 161 Elastomer 306-308 elektrochemische Elemente 289 Elektrode 287 Elektrolyt 287 Elektromotor 179 Email 303 Emmission 269 E-Modd 233 Energie - Analyse 202, 203 - Bedarf, spezifischer 150 - Dichte 10 - Kosten 201 - Verbrauch 269 - - MaPnahmen zur Senkung 206 Entkeimung 13 Entliiftung 133 Entschaumen 228 Entwasserung, Klarschlamm 13, 343-345 - Grad 282, 283 - Hilfmittel 14

- - mineralische 20 - Verfahren 19, 20, 281-284 Entzinkung 296 Epoxidharz 243 Erosionskorrossion 298 Ex-Abwirrne 266 Exzenterschneckenpumpe 223, 267 ex-geschutzteAusfiihrung 18 Explosion 303-314 - S c h ~ t z 24, 42, 43 - Schutzdokument 322 - Schutzplan 314

f Fallung 11, 228 270 Fadbehater 16, 268, 277 - eifbrmiger 279 Heizung 277, 278 - Umwdzung 278, 279 Faulgas 266, 269 Faulgasbehandlung / -Verwertung 280, 281 Faulgaswnwdzung 17 Faulschlammmischer 16, 278 Faulturm 342 Feststoffgehalt 78-81, 108, 109 Festwertregelung 207-210 - Mehrfache 210 - Messposition 209 - Sollwert 209 Fettfang 6, 7, 333 Filterstufenrechen 32, 33 Filtrationsanlage 13 Flachenkorrossion 292 Flanschverbindung 244 Fliegeigenschaft, Klarschlamm 273 Flockungsfiltration 11 Flockungsmittel 19, 272 2- / 3-Fltigler - Druckausgleich 167 - Eigenschafien 167 - Pdsationsniveau 169 Folgekosten 236 Fordemedien 231 ff Frequenzumrichter 179, 351, 356 - Einspeisung 359 - mit Spannungsnvischenkreis 357, 359 Funkentstorflter 359

- P-Fdlung

-

Gasmitfdrderung 47, 62 49 Gasmotor 267 - Abgasemissionswert 265, 266 - Magerbetrieb 266 Gasproduktion 16 Gassystem 280 Gaswamanlage 43 Geblaseaggregat, Installation 178 Geblaseblock 170 Geblaseraum 179 Gef3hrdungsbeurteilung 323 Gegenring 128, 135 Gegenstromrechen 27 Generaluntemehmer 269 Generator 352 Gerat 319 Gerategruppe I / I1 317 Gerollfang 231 GFK 244 Gleichstrommotor 350 - Stromrichter 350 GIeitring 128, 135 Gleitringdichtung 123, 128ff - Anordnung 138 - Bauarten 134 - Einbauraum 133 - Fahnveisen 137-139 - Feststoffgehalt,zulassiger 134 - Gas-geschmierte 140 k-Faktor 130 - Lebensdauer 128 - e g e 128, 136 - Sperrdrucksystem 138, 139 - Werkstoffe 131, 132 GleitverschleiB 305, 306 Gleitwerkstoffe 131 Grauguss 296, 297 Grundring 127, 128 Grundwasserbeeintrachtigung 267 Giimbel-Zahl 128, 130 Gurdarderer 38 Gusslegierung 308

- ungeloste Gase

-

h Harte 307 Hartestabilisieren 228 Heizwasser 277 Hochspannungsmotor 356

B Gase, ungeldste (freie) 62-65, 81, 82 Gasbehdter 342, 343 Gasbewirtschaftung 17 Gaseinpressung 278, 279

i Induktionsmaschine 352 Inertstoff 283 Inhibitor 301

368

I

Register

Injektor 161 Isokorrosionskurve 292, 293

k Kabelpritsche 238 Kalk 283 Kalk-Eisenchlorid-Konditionierung 283 Kamrnerfilterpresse 20, 282 Kanalisation 325, 326 Kaskadenregelung 196 Katalysator, 3-Wege 266 Kathode 287, 289 - kathodische Reaktion 288, 291, 296 - kathodischer Schutz 304 Kavitation 58-62, 82-86, 109-112, 298 - Korrossion 298 - Verschleig 287 Keilriemen 171, 175, 176 - Nachspanneinrichtung 176 Keimemission 40 Kennfeld 189 Kennlinien. Geblase 173 Kennzahl 202, 203 Kerarnik 303, 306 Kerarnikelemente 144 Kerbschlagarbeit 2 33 Kevelaer-Weeze, Klaranlage 216 ff Klaranlage - Funktionsprinzip 2 - Zulauf 330-333 Klarschlammbehandlung 1 fT 13 ff,341-345 - Anlagen - - Anforderung 264, 265 - - Ausriistung 265, 267 - - Bauwerksplanung 265 - - Kapselung 266 - - Zuganglichkeit 266 - Beseitigung 263 - Betriebssicherheit 264 - Faulung 16, 268 - landwirtschaftliche Venvertung 283 - Raurnsystem 1 2 - therrnische Behandlung, 264 - Ubersicht 14 - Verfahrensschritte 263 -Venvertung 263 Kletterrechen 27, 28 Kolbenmernbranpumpe 20 Kombiregelung, Turboverdichter 191, 192 Kondensatwasser 232 Konditionierung, Klarschlarnrn 14 Kontaktkorrosion 241, 296 KorngroBe 308 Korrosion 241 ff, 287-301

- abtragende 241 - Definition 287 - interkristalline 242, 296, 298 - selektive 296 Korrosivittit 275 Korrosionselement 290, 292 Korrosionsschutz 301-304 Kostenvorkalkulation 235 Krehlwerk 281 Kreisel - Mischbecken 151, 152 - Umlaufbecken 152 Kreiselpumpe 4, 48 - Axialkraft 75, 76 - Gehause 74, 75 - Kennlinien 66-78 - Laufrad 66-70 - Radiakaft 75, 77 - Regelung 90-97 - Schwingung 88-90 - Wellenabdichtung 87 Kreislaufkirtschafts- / Abfallgesetz (Krw- / AbfG) 263 Kugeldurchgang 4 Kunststoff 303 Kurzschlusslaufer 355

I Labyrinthdichtung 125, 126 Laminieren 244 Lgngssaugraurner 252 - Untenvasserausriistung 256 lngsschildraumer 252 - Untenvasserausriistung 256 Lgrmbelastung 237 Last - hydraulisch 230 Laufrad 254 Leckage 124ff Leerlaufleistung 169 Leistungsaufnahrne 171 Leitfihigkeitsmessung 330 Liefermenge 173 ,,local control panel" 191 Lochkorrosion 241, 294, 295, 304 Lokalelernent 290, 296 Luftverdichter 267, 276 Luftvolumenstrorn 160

m Magnetdosierpurnpe 223 Maschinenraumbeluftung 182 ,,master control panel" 193 Membranelemente

- EPDM-Membran

145

- perforierte 144 148 Mernebranfilterpresse 282 Messeinrichtung, hydrostatische 327 Metalle, Spannungsreihe 289 Metall-Aktiv-GasschweiBen(MAG) 246 Metall-Inert-GasschweiBen(MIG) 246 Microthrix panicella 280 MID 330 Mischsystern 326 Mitstrornrechen 27 Montagenaht 247 .most open valve control" 196 Motordosierpumpe 223 Muldengurtf6rderer 38, 39 Muldenkorrossion 293

- Silikon

n Nachbehandlung 247 Nacheindickung, Klarschlamm 18, 264, 281 Nachfdlung 11 Nachklabecken 8, 11, 12 Nachleitregelung, Turboverdichter 190, 191 Natriumaluminat 232 Nebenschlussbecken 328 Neutralisation, Abwasser 332 NH4-N-Regelung 213 Nichtoxidkeramik 306 Nitratanalyser 337 Nitrifikation 334, 335, 337 - Zeit 216 N03-N-Regelung 213 Normalpotential 289, 296 Norrnalstahl 269 Norm-Asynchronrnotor 356 Normen fiir Geblbe 171, 172

I

Register 369 Phosphorelimination 9, 11, 335 Plastikelemente, porose 144 Plausibilittitskontrolle 268, 284 P04-Analysatorwert 338 Polyathylen 243 Polyelektrolytansetzstation 226 Polyesterharz 243 Polymere 283, 308 Polyvinylchlorid (PVC) 243 Prirnarschlamrn 7, 270 - Abzug / -Eindickung 264 Feststoffgehalt 270-272 Profibus 361 Probenentnahrne 331 Prozessleittechnik 264 Pulsation 105,167 Pulsationsdlmpfer 224 Pulsbreitenrnodulation 359 Purnpe 47-121, 267 Anforderung 273-275 - Grenze 188 - Kolbenrnernbranpurnpe 20 Kreiselpumpe 4, 48, 66ff - Sandforderpumpe 6 -Schacht 63 - Schneckenpurnpe,exzenter 20, 118, 119 - Verdrangerpurnpe 48, 101-119, 271 Pumpenbauart 48 -Antrieb 86.87 - Arbeitspunkt 49, 53, 65, 66 - Aufstellung 86,87 - Betriebspunkt 49, 54 - Einbauort 58-65 - VerschleiB 78, 79 Purnpenumwalzung, augenliegende 278 Purnpwerk 326

-

-

-

9 0

Quench 137, 138

02-Regelung 193

Oberflachenbeliiftungssysterne 151, 152, 275 Oxidkeramik 306

P P-Fdlung 270 Pz-Regelung 193 Packungsring 127 - Impragniemng 128 Partikelkonzentration 308 PassiviMt 292 Passivschicht 292, 294, 295 Personalaufivand 267 Personalkosten 267 pH-Messung 330

r Radialkraft, Kreiselpumpe 75, 77 Raurner 251-261 Raurnerbriicke 251, 254, 255 Raumharke 27 Rechenanlage 5, 23-44 -Anordnung 24 - Arbeitssicherheit 42 - Ausschreibung 43, 44 - betriebliche Anforderung 25, 26 - Explosionsschutz 42, 43 - Funktionsweise 26-34 - hygienische Aspekte 41 - verfahrenstechnische Anforderung 24, 25

370

I

Register

Rechengut 6 - Forderung 38-41 - Presse 35, 36 - Wascher 36 - Waschpresse 37, 38 Rechenhalle 24 Rechenstation 331 Rechentypen 26ff Redoxpotenzial 213-215, 289, 338 - Knickpunkt 213 - Mischrampensteuerung 215 - Steuerdatei 217 - Regelung 214 - - Fuzzi-basierende 215 - - Leistungsfhigkeit 218 Regelantrieb, mechanischer 349 Regelung, Kreiselpumpe 90-97 Regenentlastungsbauwerk 327-329 Regenriickhaltebecken 327 Regeniiberlaufbecken 327 Regenwasserbehandlung 325, 326 Registrierung 331 Reibkorrosion 299 Resonanz 237 Resonanzschalldampfer 176 Rezirkulationspumpwerk 10, 11 Richtlinie 99/92/EG (ATEX 137) 320 Richtwerttabelle, modifizierte 156, 157 Rohrkupplung 245 Rohrleitungssystem 149 - Anforderung 273-275 Rohrmanschette 245 Rohrrauhigkeit 236 Rost 291 Rotoren. Umlaufbecken 151 Ruckfiihrung 10 Riicklaufschlamm - Menge 339 - Pumpwerk 10 Riickschlagklappe 178 Riickstromverlust 169 Riihnverke 97-101, 278 Rundsaugraumer 253 - Untenvasserausriistung 257, 258 Rundschildraumer 253 - Untenvasserausriistung 256, 257

-

5

Sandanteil 231 Sandbehandlung 6 Sandfang 6, 7, 333 Sandfiirderpumpe 6 Sandsaugraumer. Unterwasserausriistung 256

Sandschildraumer 252 - Untenvasserausriistung 255 Sauerstoffaufahme, spezifische 143 Sauerstoffausnutzung / -Grad 202 - spezifischer 143 Sauerstoffeintrag 143, 206 Sauerstoffertrag 143, 204, 275 Sauerstoffgehalt 9, 337 Sauerstofiorrossion 291, 293 Sauerstoffreduktion 288, 290 Sauerstoffregelung 207 Sauerstoffversorgung 9 Sauerstoffzufuhrvermogen 143 Saugschalldampfer 175 Saurekorrosion 291 Schalldammhaube 177 Schalldampfer 176 Schallemission 237 Schaum 276, 327 Schaumfalle 17 Schaumsystem 280 Schienenbetrieb 254 Schimmelbildung 40 Schlamm (s. Klarschlamm) Schlammalter 334 Schlammspiegelmessung 333 Schlammstabilisierung 264, 268 - aerob-simultane 268, 275, 276 - anaerobe (Faulung) 276-281 Schlammstapelbehalter 19 Schlammvorlage 18 Schleifringkorper 255 Schleifringlaufermotor 350,355 Schleigfutter 40 Schluckvolumen 173 Schlupfmessung 173 SchweiBen 246 SchmelzschweiBverfahren 246 - Metall-Aktiv-Gasschweigen(MAG) 246 - Metall-Inert-Gasschweigen(MIG) 246 - Wolfram-Inert-Gasschweigen(WIG) 246 Schmierstelle 267 Schmutzfracht 230 Schneckenpumpe, exzenter 20, 118, 119 Schraubenkompressor, Prinzip 166 Schraubenschaufler 16 Schraubenverdichter 186, 187 Schutzrohr 341 Schutzsystem 319 SchweiBaufsicht 249 SchweiBerzeugnis 249 Schweignaht 275 - Anforderung 269 -Gate 248

- Wurzel 246 Schwerkrafteindicker 15 Schwermetalle 14 Schwimmdecken 279 Schwimmringdichtung 125, 126 Schwimmschlamm 12, 252 - Abzugsystem 279 - F i e r u n g 261 - Raumeinrichtung 251, 259-261 - Ubergabestation 260 Schwimmschlammschild 259 Schwingung 237ff - Kreiselpumpe 88-90 Schwingungsrisskorosion 243, 300 Sedimentationsbecken 11, 251 Segmentringdichtung 126 Seihband 272 Seitenkandgeblase,Prinzip 166 SelbstschlieBeffekt 141 Sensoren, explosionsgeschiitzte 329 Servomotor 352 Sicherheitsventil 178 Siebbandrechen 31 - Reinigungsbiirsten 42 Siebmaschine 15 Siebreaktor 272 Siebrechen 30-32 Siliziumkarbid 132, 303, 308 Simultanfdlung 11 Sinterwerkstoff 308 Sollwerdiihrung - mit Sti)rgro%enaufschdtung 212, 213 - nach Zeitplan 210 - - intermittierende Beliiftung 211 - - mehrfacher Regelkreis 211 Spdte 302 Spaltkorrosion 242, 295, 304 Spannungsreihe, Metalle 289 Spannungsrisskorrosion 243, 299 Sperrgasversorgungssystem 140, 141 Spenmedium 127, 128 Sperrring 127, 128 Spiralforderer 39, 40 Spiralsiebrechen 33, 34 Spongiose 296, 297 SpdstoBe 231 Stabilisiemng, Khschlamm 13, 14, 16-18 - aerobe 17, 18 Stabrechen 30 Stahl - austenitischer 239 - Edelstahl 269, 275 - hochlegierter 294-296, 298 - Normalstahl 269

- verzinkter

269 Stickstoffelimination 8, 275 Stillstandskorrosion 298 Stopfbuchspadrung 127, 137ff - Werkstoffe 127 Stopfbuchse 125 StorgroBe 212, 213 Stromerzeugung 266, 284 Stromrichterkaskade, untersynchrone (USK) 350 Stromungsgeschwindigkeit 306 Stromungsmaschine 362 Stromverbrauch. spezifischer - einwohnerbezogen 204 - GSV-bezogen 204 Quervergleich 203 - Zeitreihenvergleich 205 Synchrongetriebe 170 Synchronrader 166, 170

-

t TA-Um 280 TA-L~ft 265, 280 Temperaturerhohung 169, 174 Temperaturklassen 314 Temperaturmessung 330 Transnormmotor 356 Trocknung, Klarschlamm 14, 20, 21 Trommeleindicker 15 Triibwasser 281 - Abzug 341 TS-Gehalt 334 Turboverdichter 185-200, 275 - Drallregelung 190 - Drehzahlregelung 189, 190 Nachleitregelung 190, 191 - Prinzip 166 - Wirtschaftlichkeitsvergleich 198-200

U

UberFiilIsicherung 345 Uberschussschlamm 272 -Abzug 339 - Eindickung 15 - - maschinelle 264 - Voreindickung 272 Uberstromkand 168 Ultraschdl-Fiillstandmessgerat 326 Umwazung 9, 10, 146-148 Unterwasserausriistung, RBumer 255-258 V

Vakuumentgasungsadage 281 Vektorregelung 362

I

371

372

I

Register

Venturikanale 330 Verdichterkennlinie 188 Verdichtung 166 Verdrangerpumpe 48, 101-119, 271 - Kavitation 109-112 - Kennlinien 101-107 - oszillierende 101, 102, 104 - Regelung 115-118 - rotierende 101, 102 - Schwingung 114, 115 - Wellenabdichtung 113, 114 VerschleiB 287, 305-308 - GleitverschleiB 305, 306 - hydroabrasiver 306-308 VerschleiBschutz. hydroabrasiver 308 Vertraglichkeit, elektromagnetische 181 Viskositat 55, 57, 78-81, 108, 109 - Uberschussschlamm 274 Volumenstrom 182 Voreindickung, Klarschlamm 15, 16 Vorfallung 11 Vorklarung 7, 270 Vor-Ort-Kontrolle 268 W

Wanddicke, Rohrleitung 275 Warmeausdehnungskoefzient 234 Warmestrom 182 Warmetauscher 17. 277 Wartungskosten. Geblase 182 Wartungspunkt, Zuganglichkeit 267 Wasserleitung 232

Wasserstofhildung 288, 290 Wechselrichter 357, 359 Wellenabdichtung 87, 113, 123-142 Wellendichtung 123, 124 Wirksumme 304 Wirkungsgrad 180 - Elektromotor 172 - Geblase 175 - Klassen 356 Wirtschaftlichkeit, Geblase 181 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 269 Wolfram-Inert-GasschweiBen(WIG) 246

z Zahnstangenantrieb 255 Zentrat 273 Zentrifuge 15, 272, 282 Zink 303, 304 Zirkulation 133 Zoneneinteilung 320 Zugabe, Chemikalien, gezielte 221 Zugfestigkeit 233 Zulaufbedingung 231 Zulaufkontrollstation 330 Zulaufpumpwerk 2 Ziindquelle 311 Ziindschutz - Arten 315, 316 - MaBnahmen 314 Ziindtemperatur 313 Zylinderrollenlager 170, 171